一种仿生机器鱼的设计与运动控制
发布时间：2020-12-20 01:59
随着工业化的不断推进,陆地资源大量被开采利用而日趋枯竭,为了能够满足更高的能源需求,人们逐渐将目光转向了海洋。水下资源的探索工作需要水下机器人的帮助,从而完成很多人类不可完成的高难度或危险的工作。因此,国内外学者开始对水下机器人展开探索。传统的水下机器人的推进方式较多为常规推进器,例如螺旋桨。螺旋桨显著的缺点为推进效率低、灵敏度差和噪音大。海洋中的鱼类具有超高的游动性能,这正是水下机器人所不具备的,将鱼类高效的推进机理应用至水下机器人,仿生学由此诞生。因此本文针对水下仿生机器鱼开展了相应的研究。论文主要内容及结论总结如下。本文首先通过调研目前国内外仿生机器鱼的游动机理和机器鱼的研究现状,系统地总结并设计研发一款两关节三体的仿鲹科机器鱼。其鱼头部分的转动惯量很大,但整体的摆动幅度却很小,其摆动的主要动力来源为尾部,所提供的推动力大于90%。所以本文的仿生机器鱼的设计思路是刚性鱼头和柔性尾鳍相连,借助柔性鱼尾的摆动提供推力。其次本文对仿生机器鱼的升潜和俯仰构件进行了设计,并通过MATLAB对机器鱼的前进和转向运动进行了仿真。再次,机器鱼的外形是决定机器鱼所受阻力大小的重要因素,本文通过探究...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 鱼类游动机理研究
1.2.2 仿生机器鱼的CFD模拟研究
1.2.3 仿生机器鱼的研制与实验研究
1.2.4 仿生机器鱼的运动控制研究
1.3 本文主要研究内容
2 鱼类游动机理和仿生机器鱼设计
2.1 前言
2.2 鱼类游动机理
2.2.1 鱼类形态的概述
2.2.2 鱼类游动方式的一般分类
2.2.3 鲹科模式的鱼体波模型的建立
2.2.4 鱼体尾部受力分析
2.3 机器鱼的设计
2.3.1 仿生机器鱼的机械设计
2.3.2 仿生机器鱼的推进机构的设计
2.3.3 仿生机器鱼的升潜机构的设计
2.4 机器鱼的外形设计
2.4.1 研究方法
2.4.2 机器鱼鱼体曲线轮廓对阻力的影响
2.4.2.1 曲线轮廓的选取
2.4.2.2 三维仿真模型的建立
2.4.2.3 数值模拟结果和数据处理分析
2.4.3 最大截面直径对阻力的影响
2.4.4 最大截面位置对阻力的影响
2.4.5 鱼体尾鳍对阻力的影响
2.4.6 结果验证
2.5 本章小结
3 机器鱼的运动学分析
3.1 游动分析
3.1.1 数学模型的建立
3.1.2 分析结果
3.2 俯仰运动分析
3.3 升潜运动分析
3.4 本章小结
4 仿生机器鱼水动力系数的计算
4.1 建立机器鱼运动方程
4.1.1 机器鱼运动的自由度
4.1.2 建立机器鱼的六自由度方程
4.2 操控水动力系数
4.2.1 建立简化模型
4.2.2 纯升沉运动水动力系数的计算
4.2.3 纯俯仰运动水动力系数的计算
4.2.4 纯横荡运动水动力系数的计算
4.2.5 纯摇艏运动水动力系数的计算
4.3 其余非线性系数的计算
4.3.1 若干藕合系数的近似推算公式
4.3.2 计算结果
4.4 本章小结
5 机器鱼运动控制
5.1 滑模控制策略
5.2 控制律设计
5.3 垂直面运动跟踪结果
5.4 水平面运动跟踪结果
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋资源开采中保护海洋环境的意义[J]. 何颖,黄炎. 中国市场. 2018(01)
[2]船舶推进器的研究[J]. 周梅梅. 天津职业院校联合学报. 2017(02)
[3]仿生机器鱼运动学模型优化与实验[J]. 王平,许炳招,娄保东,倪羽洁. 智能系统学报. 2017(02)
[4]Precise planar motion measurement of a swimming multi-joint robotic fish[J]. Jun YUAN,Junzhi YU,Zhengxing WU,Min TAN. Science China(Information Sciences). 2016(09)
[5]身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析[J]. 王安忆,刘贵杰,王新宝,付碧波. 机械工程学报. 2016(17)
[6]尾鳍推进仿生机器鱼速度优化[J]. 葛立明,李宗刚. 兰州交通大学学报. 2016(03)
[7]BCF推进模式仿生机器鱼的研究现状与发展趋势[J]. 王扬威,于凯,闫勇程. 微特电机. 2016(01)
[8]仿生机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法[J]. 夏丹,陈维山,刘军考,曹渝华. 机械工程学报. 2014(07)
[9]金枪鱼自主波动游动的数值模拟[J]. 徐晓锋,万德成. 水动力学研究与进展A辑. 2011(02)
[10]两关节仿生水下航行器SPC-Ⅲ的推进与机动性[J]. 梁建宏,郑卫丰,文力,王田苗,刘永军. 机器人. 2010(06)
博士论文
[1]机器海豚推进系统运动学与控制方法研究[D]. 任光.北京理工大学 2015
[2]水下航行器泵喷推进器设计方法研究[D]. 刘业宝.哈尔滨工程大学 2013
[3]仿生墨鱼机器人及其关键技术研究[D]. 王扬威.哈尔滨工业大学 2011
[4]超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟[D]. 孙发明.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]一种仿生机器鱼设计与控制的研究[D]. 高心悦.北京邮电大学 2017
[2]仿生机器鱼的运动行为分析及路径规划研究[D]. 张倩.青海大学 2016
[3]仿鲹科三关节可升潜机器鱼设计与研制[D]. 冯畅.南京理工大学 2016
[4]二自由度胸鳍推进仿生机器鱼动力学分析及控制[D]. 毛著元.兰州交通大学 2015
[5]胸鳍波动推进仿生机器魟鱼设计研究[D]. 谭进波.南京航空航天大学 2015
[6]仿生机器鱼的运动控制研究及应用[D]. 李伟严.天津大学 2014
[7]一种仿生机器海豚的机械设计及其运动分析[D]. 刘鹏.哈尔滨工业大学 2011
[8]超磁仿生鱼起动机理研究[D]. 杨超.大连理工大学 2009
[9]仿鱼尾鳍推进系统实验研究[D]. 赵士奇.哈尔滨工程大学 2008
[10]两关节机器鱼本体及动力学研究[D]. 刘英想.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：2926987
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 鱼类游动机理研究
1.2.2 仿生机器鱼的CFD模拟研究
1.2.3 仿生机器鱼的研制与实验研究
1.2.4 仿生机器鱼的运动控制研究
1.3 本文主要研究内容
2 鱼类游动机理和仿生机器鱼设计
2.1 前言
2.2 鱼类游动机理
2.2.1 鱼类形态的概述
2.2.2 鱼类游动方式的一般分类
2.2.3 鲹科模式的鱼体波模型的建立
2.2.4 鱼体尾部受力分析
2.3 机器鱼的设计
2.3.1 仿生机器鱼的机械设计
2.3.2 仿生机器鱼的推进机构的设计
2.3.3 仿生机器鱼的升潜机构的设计
2.4 机器鱼的外形设计
2.4.1 研究方法
2.4.2 机器鱼鱼体曲线轮廓对阻力的影响
2.4.2.1 曲线轮廓的选取
2.4.2.2 三维仿真模型的建立
2.4.2.3 数值模拟结果和数据处理分析
2.4.3 最大截面直径对阻力的影响
2.4.4 最大截面位置对阻力的影响
2.4.5 鱼体尾鳍对阻力的影响
2.4.6 结果验证
2.5 本章小结
3 机器鱼的运动学分析
3.1 游动分析
3.1.1 数学模型的建立
3.1.2 分析结果
3.2 俯仰运动分析
3.3 升潜运动分析
3.4 本章小结
4 仿生机器鱼水动力系数的计算
4.1 建立机器鱼运动方程
4.1.1 机器鱼运动的自由度
4.1.2 建立机器鱼的六自由度方程
4.2 操控水动力系数
4.2.1 建立简化模型
4.2.2 纯升沉运动水动力系数的计算
4.2.3 纯俯仰运动水动力系数的计算
4.2.4 纯横荡运动水动力系数的计算
4.2.5 纯摇艏运动水动力系数的计算
4.3 其余非线性系数的计算
4.3.1 若干藕合系数的近似推算公式
4.3.2 计算结果
4.4 本章小结
5 机器鱼运动控制
5.1 滑模控制策略
5.2 控制律设计
5.3 垂直面运动跟踪结果
5.4 水平面运动跟踪结果
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋资源开采中保护海洋环境的意义[J]. 何颖,黄炎. 中国市场. 2018(01)
[2]船舶推进器的研究[J]. 周梅梅. 天津职业院校联合学报. 2017(02)
[3]仿生机器鱼运动学模型优化与实验[J]. 王平,许炳招,娄保东,倪羽洁. 智能系统学报. 2017(02)
[4]Precise planar motion measurement of a swimming multi-joint robotic fish[J]. Jun YUAN,Junzhi YU,Zhengxing WU,Min TAN. Science China(Information Sciences). 2016(09)
[5]身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析[J]. 王安忆,刘贵杰,王新宝,付碧波. 机械工程学报. 2016(17)
[6]尾鳍推进仿生机器鱼速度优化[J]. 葛立明,李宗刚. 兰州交通大学学报. 2016(03)
[7]BCF推进模式仿生机器鱼的研究现状与发展趋势[J]. 王扬威,于凯,闫勇程. 微特电机. 2016(01)
[8]仿生机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法[J]. 夏丹,陈维山,刘军考,曹渝华. 机械工程学报. 2014(07)
[9]金枪鱼自主波动游动的数值模拟[J]. 徐晓锋,万德成. 水动力学研究与进展A辑. 2011(02)
[10]两关节仿生水下航行器SPC-Ⅲ的推进与机动性[J]. 梁建宏,郑卫丰,文力,王田苗,刘永军. 机器人. 2010(06)
博士论文
[1]机器海豚推进系统运动学与控制方法研究[D]. 任光.北京理工大学 2015
[2]水下航行器泵喷推进器设计方法研究[D]. 刘业宝.哈尔滨工程大学 2013
[3]仿生墨鱼机器人及其关键技术研究[D]. 王扬威.哈尔滨工业大学 2011
[4]超磁仿生机器鱼力学机理及数值模拟[D]. 孙发明.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]一种仿生机器鱼设计与控制的研究[D]. 高心悦.北京邮电大学 2017
[2]仿生机器鱼的运动行为分析及路径规划研究[D]. 张倩.青海大学 2016
[3]仿鲹科三关节可升潜机器鱼设计与研制[D]. 冯畅.南京理工大学 2016
[4]二自由度胸鳍推进仿生机器鱼动力学分析及控制[D]. 毛著元.兰州交通大学 2015
[5]胸鳍波动推进仿生机器魟鱼设计研究[D]. 谭进波.南京航空航天大学 2015
[6]仿生机器鱼的运动控制研究及应用[D]. 李伟严.天津大学 2014
[7]一种仿生机器海豚的机械设计及其运动分析[D]. 刘鹏.哈尔滨工业大学 2011
[8]超磁仿生鱼起动机理研究[D]. 杨超.大连理工大学 2009
[9]仿鱼尾鳍推进系统实验研究[D]. 赵士奇.哈尔滨工程大学 2008
[10]两关节机器鱼本体及动力学研究[D]. 刘英想.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：2926987
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