● 摘要
摘 要
胸鳍推进模式仿生机器鱼具有较强的机动性能，较好的运动稳定性和较高的游动效率，同时具有理想的游动速度，目前已成为仿生水下航行器领域的研究热点。本文以胸鳍推进的典型鱼类牛鼻鲼为研究对象，建立胸鳍的运动学模型，分析仿生样机的动力学特性，并完成胸鳍复合运动驱动的机器鱼样机及相关水下实验研究。主要内容如下：
基于对牛鼻鲼巡游状态下胸鳍运动序列的分析，建立了胸鳍波动运动方程，并对多鳍条仿生机器鱼进行动力学建模。牛鼻鲼胸鳍运动等效为展向截面的摆动运动波由前缘向后缘的传递。对于胸鳍上传递的运动波，其幅度具有空间非对称性，且与其波长及频率共同决定弦向波形。
借鉴仿生原型运动学研究成果设计了胸鳍横摇俯仰复合驱动机构，达到主动控制机器鱼胸鳍运动变形的目的。该驱动机构为二自由度复合运动机构，可满足胸鳍展向横摇和弦向俯仰的耦合运动要求，以达到接近牛鼻鲼胸鳍的运动变形效果。在此基础上，对驱动机构致动器进行选型计算。
搭建胸鳍复合运动的仿生机器鱼样机系统并进行完善改进，实现功能仿生。样机核心部件包括三维柔性复合运动胸鳍，沉浮机构组件，基于嵌入式的运动控制系统。其外壳和蒙皮均按照牛鼻鲼的外形轮廓设计，实现形态仿生。
通过机器鱼的水下实验研究胸鳍的运动控制参数对仿生机器鱼样机推进性能的影响，研究内容包括游动性能实验和水动力实验。游动性能实验结果表明，当胸鳍以横摇运动幅度45°，最大俯仰角20°，频率0.8Hz，横摇与俯仰相位差90°运动时，机器鱼可达最高游速0.43m/s(约0.94倍身长/秒)。样机在满负荷工作条件下的续航时间为2小时，能实现自然界牛鼻鲼所不具备的零半径转弯和倒游功能，倒游速度0.2m/s。搭建水动力实验平台，从推进机理角度研究各控制参数与平均推力系数的关系。
复合驱动机构实现仿生胸鳍展向和弦向的主动运动变形，使仿生机器鱼获得较理想的游动速度，样机俯仰稳定性良好，具有较强的机动性能，体现出胸鳍推进模式鱼类的特点和优势。