仿帝企鹅扑翼特征的水下机器人转向机理与调控机制研究

The performance and control of the steering mechanism is key to achieve the high maneuverability of underwater vehicles in complex and changeable underwater environment. According to the propulsion mode of marine life and the deficiency of current underwater vehicles, a high maneuverability bionic underwater steering mechanism based on flapping wings characteristics is proposed. In this project, we intend to explore flapping wings and corresponding fluids from aspects of biological structure, biomechanics and steering control strategy with the aim to overlap the deep reasons that lead to the large space variable steering torque. This research will establish the bionic design method for high maneuverability underwater steering mechanism based on the influence mechanism of steering mobility. It will further be developed the direct-driven spatial flapping wings-based bionic underwater steering mechanism. Then, it will systematically study main disturbances of fluids and mechanism, and establish a high precision nonlinear dynamic coupling model, and propose a stable adaptive robust control algorithm. Meanwhile, the underwater simulation environment will be built where experiments will be carried out to verification and feedback optimization. Lastly, this research will combine the bionic design and nonlinear control strategy for the new type of underwater steering mechanism to provide a new way to develop a new generation of steering mechanism. It is important to enrich the steering technology and improve the maneuverability of underwater vehicles when sailing at low speed.

水下环境复杂多变，转向机构的性能和调控是实现水下机器人高机动性的关键所在。针对水生生物的推进方式和目前水下机器人在低速机动性方面的不足，本项目提出对帝企鹅扑翼特征进行仿生，在传统舵机系统或矢量推进的基础上，为水下机器人增加新型转向机构。首先从生理结构、生物力学及转向调控机制等方面对扑翼及其与水流的相互作用进行研究，探索扑翼产生空间可变向的大转向力矩的深层次原因；基于耦合扑翼式流场布局对转向机动性的影响机理，建立高机动性水下转向机构的仿生设计方法，设计直驱空间扑翼式仿生转向机构；研究水流与机构的各类主要扰动因素，建立高精度动力学耦合模型，提出非线性控制策略；搭建水下试验验证环境，对仿生设计和控制策略进行验证评估与反馈优化。项目的研究将结合帝企鹅扑翼的转向机理与调控机制，为新型水下转向机构的开发提供新思路，对于丰富水下机器人的转向技术和提高水下机器人低速航行时的机动性具有重要的意义。

水下机器人的高机动性是满足海洋环境研究、海底资源勘探和海防战略需求的重要指标。为了完成海洋参数测量、海底信息调查、定点考察、海事搜寻等作业任务，要求水下机器人在低速条件下具备极好的机动性和稳定性。转向机构是实现水下机器人高机动性的关键机构。目前水下机器人主要采用螺旋桨推进器结合舵面的偏转或者矢量推进方式来产生机动控制力，针对水生生物的推进方式和目前水下机器人在低速机动性方面的不足，本项目提出对帝企鹅扑翼特征进行仿生，在传统舵机系统或矢量推进的基础上，为水下机器人增加扑翼式仿生转向机构。.首先从生理结构、生物力学及转向调控机制等方面对扑翼及其与水流的相互作用开展研究，基于扑翼运动机理解析，可见帝企鹅在转向时头部、身体、扑翼、尾部等部分高度配合，各部分都具有较为复杂的变形和运动，各部分对其转向机动均有相应贡献，扑翼产生的空间可变向大转向力矩是为帝企鹅实现高机动性转向的主要原因。.基于耦合扑翼式流场布局对转向机动性的影响机理，建立高机动性水下转向机构的仿生设计方法，对帝企鹅扑翼的拍动和俯仰运动进行解耦分析和类比仿生，开展扑翼式仿生转向机构设计。首先设计了一种扑翼式仿生转向机构，然后优化驱动方案，基于圆筒形直线电机设计了一种直驱空间扑翼式仿生转向机构，直接驱动扑翼实现拍旋和位旋。.为提高抗扰动能力，研究水流与机构的各类主要扰动因素，建立高精度动力学耦合模型，提出非线性控制策略，使用自适应鲁棒控制、回归量替代和死区方法来处理系统扰动因素，设计出非线性稳定自适应鲁棒控制算法。搭建试验环境，对仿生设计和控制策略进行验证评估与反馈优化。.该项目涉及到水下机器人高机动性的实现，为我国新一代水下机器人转向机构的开发提供一种新的设计思路，项目相关的机理与设计方法作为通用转向技术，可应用于相关水下WQ的转向系统设计。如同新一代飞机的鸭翼对飞机气动性能的影响一样，扑翼式仿生转向机理也将提高水下WQ的机动性。