仿生海豚课件.pptx

仿生机器海豚讲解人：江文亮第一组：江文亮、吴学英2014.12.23目 录课题背景研究目标基础理论实现过程课题背景一、应用前景港口水质监测；水下勘探；军事应用，如鱼雷的发射，反潜作战等；高科技仿生设计像海豚一样畅游大海%5b高清版%5d/0001.搜狐视频-高科技仿生设计像海豚一样畅游大海%5b高清版%5d.mp4载人装备；课题背景二、国外现状MIT于1994年以蓝鳍金枪鱼为仿生对象研制了世界上第一条仿生鱼Robo Tuna。课题背景二、国外现状MIT后续研发了多个版本，此为1998年的Robo Tuna的最高版本。课题背景二、国外现状1999年日本东京工业大学研制的机器海豚课题背景三、国内现状北航的SPC-II型仿生鱼课题背景三、国内现状北京大学研制的机器海豚、中科院自动化所研制的机器海豚海豚可以跃出水面, 在空中能完成跃水、乘浪、滑水、空中转体等复杂动作, 这些高难度动作是鱼类所不能实现的。 由于人类尚不完全清楚鱼类和海豚的运动机理, 所以仿真效果至今不理想。由于机器海豚开发研制的诸多困难, 针对机器海豚的理论和技术研究尚处于起步阶段。研究目标以白鳍豚为仿生对象，对仿生海豚进行机械结构设计，并进行了运动学分析和运动仿真的研究。基础理论一、鱼类推进模式MPF（中央鳍/对鳍模式）BCF （身体/尾鳍模式）基础理论BCF可以细分为五种推进模式(1 )鳗鲤式推进是整个鱼体都做大幅值波动，波动幅 值基本不变 ，行进单位距离所消耗的能量最少，但推进效率不高；基础理论（2）亚鲹科式推进与鳗鲤式推进相似，只是鱼体前半部分波幅较小，后半部分波幅不断增加，鳟鱼是典型的代表；（3）鲹科式推进是鱼体前2 / 3 部分不变形，仅靠鱼体的后1/ 3摆动，鲹科鱼类具有瘦长的尾柄、深分叉的尾 鳍 ，可形成强劲的尾部推力从而快速游动，推进速度和推进效率比鳗鲡式推进高，常见的海洋生物中，蓝 圆鲹即是典型的代表； （4）鲹科加月牙尾式推进是在鲹科式推进的基础上发展的一种大展弦比月牙尾鳍的推进方式，通过鱼体的后 1/ 3部分的尾鳍的大范围的摆动。同时，鱼体的运动由波动和尾鳍摆动复合而成 。这样可产生超 过 90%的推力。海洋中的金枪鱼 、鲨鱼和哺乳动物等，他们的推 进方式就是鲹科加月牙尾 式，因此具有快速游动和高效推进的特点 。在BCF 推 进模式中，鲹 科加月牙尾式的效率是最高的 。 （5）箱鲀科模式是完全振动的BCF推进，但效率很低。基础理论 通过以上对BCF模式的分析可知：鲹科加月牙尾式在游动速速、推进效率和快速启动方面有着卓越的性能，因此是仿生机器人研究的热点。 海豚的游动方式并不能简单的归为某一类，但是与鲹科加月牙尾式推进极其相似。海豚肌肉发达，依靠尾鳍的上下摆动，在胸鳍的配合下，最高速度可达8~11m/s。基础理论 海豚在水中的游动是按照背腹式方式进行的。海豚尾部经过的轨迹可视为按正弦规律变化的曲线。尾鳍的运动是有沉浮运动和俯仰运动合成的。沉浮运动主要使尾部和尾鳍产生击水动作，俯仰运动为击水运动提供合适的攻角。海豚的新月形尾鳍相当于一个非定常机翼，利用非定常机翼的高升原理在游动方向上获得高升力。基础理论 攻角（英文：Attack Angle ），也称迎角，为一流体力学名词。对于翼形来说，攻角定义为翼弦与来流速度之间的夹角，抬头为正，低头为负，常用符号α表示。基础理论二、鱼类浮沉运动的方式（1）利用鱼鳔实现绝大多数的鱼类都具有鱼漂，鱼漂在鱼类的沉 浮运动过程中起到很重要的作用。当鱼需要下沉时 ，由于深 度的增加，鱼体排开水的体积变大，浮力会阻碍鱼体下沉 ，因 此，需要将鱼漂内的气体排出一部分，从而使浮力减小 ，加速下 沉 。当鱼需要上浮时 ，通过向鱼鳔内充气而使浮力变大 ， 实现上浮运动 。 （2）快速改变身体重心实现 有些鲭类海洋鱼类的鱼鳔已经退化 ，他们主要用快速游泳控制游动的深度 。通过调节重心 ，使得鱼体前倾或上仰，然后尾鳍快速摆动产生推力使鱼体下潜或上浮。（3）利用胸鳍实现鲹科中的多数鱼类 ，由于需要快速 游 动，鱼 鳔的作用便不明显 ， 因此通过改变胸 鳍的摆动频率和俯仰角度 来 实现沉浮运动 。 基础理论 工程上实现机器鱼实现浮沉运动的方案有储水仓法、胸鳍法、尾鳍摆动法和改变重心法。基础理论 如图，重心调节机构主要调整重心在竖直方向的位置，同时可调整重心在水平方向的位置，安装板固定在刚性海豚头部上，FUTABA舵机安装在电机安装板上，摆动支架固连在竖直电机输出轴上 ，配重块安装在摆动架上，随摆动架的摆动一起运动，且配重块材 质为密度较大的铅块。 基础理论 当机器海豚下沉时，通过调节舵机使配重块移动到最左端的水平位置如图 (a) 所示，当水平游动时，配重块处在竖直位置如 (b ) 所示，当上浮时，通过调节舵机使配重块移动到最右端的水