基于金枪鱼中央鳍形变特征的水下仿生机器人助力转向机理研究

Most current methods to improve steering properties of underwater biomimetic vehicles have some disadvantages such as poor stability, difficult control and low energy efficiency. Tuna adjust the shape and position of the median fins quickly and accurately for enhancing their hydrodynamic characteristic, resulting in superior steering motion capability, which provides a new idea to break through the above-mentioned limits. This project aims at mimicking the median fin deformation characteristic of tuna, analyzing the morphology and kinematics of the median fins, and building the steering dynamical model of tuna through quantizing morphological and kinematic parameters. By computational fluid dynamics, the flow field structure during the deformation process of the median fins is analyzed, and then the power assisted steering mechanism of the median fin deformation characteristic is elaborated in terms of vortex dynamics. Based on the physiological structure and motion mode of the median fins, the bionic mechanism is designed, which is driven by the shape memory alloy (SMA) actuator. Refer to the regulative way of the median fins, the operation decision mechanism and fuzzy control strategy for such bionic mechanism is constructed. Finally the underwater experimental platform is set up to carry out the experiment assessment and optimization of the bionic mechanism and the control strategy. The research results will enrich the steering technology and driving mode of the underwater biomimetic vehicles and improve adaptability under the complicated flow circumstance, which have important bionic theoretical meaning and practical application prospect.

现有的提高水下仿生机器人转向性能的措施多数存在稳定性差、控制难度大、能量利用率低等不足。金枪鱼通过快速准确地调控中央鳍的形状和位置，以改善水动力特性，从而获得了优越的转向机动能力，为突破这一局限提供了新思路。本项目对金枪鱼中央鳍形变特征进行仿生，通过分析中央鳍的形态学和运动学，量化中央鳍的形态和运动参数，建立金枪鱼的转向动力学模型；结合水动力数值模拟，研究中央鳍形变过程中的流场结构，从涡动力学角度阐述中央鳍形变特征的助力转向作用机理；基于中央鳍的生理结构和运动形式，采用形状记忆合金驱动，开展仿生机构设计；借鉴中央鳍形变运动的调控方式，构造仿生机构的运行决策机制和模糊控制策略；搭建水下试验平台，对仿生机构和调控机制进行验证评估与反馈优化。项目的研究成果将丰富水下仿生机器人的转向技术和驱动方式，提高机器人复杂水流环境下的适应性，具有重要的仿生理论意义和实际应用前景。

现有的提高水下仿生机器人转向性能的措施多存在稳定性差、控制难度大、能量利用率低等不足。金枪鱼通过快速准确地调控中央鳍的形状和位置，以改善机动特性，为突破这一局限提供了新思路。通过建立C型转向时的运动学模型，采用数值方法求解金枪鱼自主游动的流固耦合问题，阐明金枪鱼转向过程中速度、水动力、偏航角和流场结构的变化趋势，从涡动力学角度揭示中央鳍形变特征影响稳定性和机动性的深层次原因。.通过比较中央鳍的两种形变状态，可以得出如下结论：（1）在C型转向开始时，中央鳍对偏航或转向运动的影响有限。随着尾鳍向后摆动，中央鳍形态开始影响金枪鱼的转向性能。（2）中央鳍直立时，前进速度下降得更快，导致制动距离更短，反向运动更早。同时，直立形态具有更高的侧向速度和偏航角速度，这使得金枪鱼能够快速转向。（3）第一背鳍对水动力增量贡献最大，对改善转向性能起到了积极作用。第二背鳍和臀鳍的水动力增量较为有限。此外，由于鱼体和中央鳍的交互作用，中央鳍的直立也增强了鱼体的水动力，进一步影响了金枪鱼的转向性能。（4）随着初速度的增加，直立形态能够在更大的程度上增加偏航角，减小转弯半径，从而使金枪鱼具有更高的机动性能。（5）在直立形态中，第一背鳍也产生了涡结构，并在尾部附近逐渐与第二背鳍的涡流融合。由于第一背鳍的参与，直立形态的旋涡强度整体要大于后倾形态，这可能是水动力升高的原因之一。.由于相对重心的位置不同，各中央鳍的功能并不完全相同。第一个背鳍可以促进偏航和转向机动，而第二个背鳍和臀鳍倾向于增强稳定性。大多数现有的机器鱼只有固定的背鳍和臀鳍，缺乏中央鳍形变结构。类似于变形翼飞机，在水下仿生机器人上设计可变形的背鳍和臀鳍，是调节转向机动性和稳定性的一种新思路。