论文总字数：34684字

摘 要

本文着眼于观察鱼类在游动时运动学参数和形态学特征的关系，在研究出各个因素对鱼体游动特征的影响前提下，对运动学参数和形态学特征彼此的相互依赖相互促进的关系进行研究。主要是通过软件仿真的研究方法，对比不同形态学特征和运动学参数下鱼体的游动，实现鱼体在游动时受力，做功与效率测量与对比。本文主要是以下三点研究成果：

（1）对鳗鲡型鱼类和鲔科鱼类的各个参数独立对鱼体游动的影响进行了研究；

（2）通过交叉对比分析了鳗鲡型鱼类和鲔科鱼类在游动性能上的优劣；

（3）通过对比试验分析完成了对鱼类形态学和运动学的相互促进作用。

论文的研究工作和结论对进一步开展鱼类推进机理研究和仿鱼推进器的研制，如何更加高效率的实现仿鱼推进器的改进提供了重要的参考依据。

关键词：仿鱼机器人；鱼体游动效率；运动学参数；形态学特征；相互促进作用

Study on the influence of morphological and kinematic factors of the robot fish swimming

02011326 zhouqi

Supervised by xiadan

Abstract： In the present world, the shortage of land resources, when human eyes the direction of the sea, the study of the fish robot is also in full swing. The propulsion ability of fish in water is much better than the existing artificial mechanical propulsion mechanism. The mechanism of fish propulsion and the development of fish like robot are always the hotspot of research.

This paper looks to observe the fish swimming in the kinematic parameters and morphological characteristics of the relationship, in the study of the various factors influence the characteristics of fish swimming under the premise of kinematic parameters and morphological characteristics of each other interdependent relationship of mutual promotion of. Mainly through the simulation software of research methods, comparison of different morphological characteristics and kinematic parameters under the fish swimming, fish swimming in the force, acting and efficiency measurement and comparison. This paper mainly studies the following three points:

(1) effects of various parameters on eel fish and tuna fish, independent of fish swimming are investigated;

(2) through cross comparison and analysis of the eel fish and tuna fish in the swimming performance of;

(3) the interaction between the morphology and kinematics of fish was accomplished by comparing the experimental analysis..

The research work and conclusions for further development of fish propulsion mechanism and biomimetic propulsor development, how to more efficient implementation improvement of biomimetic propulsor provides an important reference.

Key words: Fishlike robot; Fish swimming efficiency; kinematic parameters; morphological characteristics; Mutual promotion

目 录

1、绪论 6

1.1概述 6

1.2鱼类游动方式简介 6

1.2.1 鱼类游动方式分类 6

1.2.2 BCF和MPF模式 7

1.2.3仿鱼推进机理的数值模拟 7

1.3鲔科与鳗鲡形态学与运动学上的差异 7

1.3.1 BCF模式分类 7

1.3.2 两种鱼类运动学差异 8

1.3.3 两种鱼类形态学差异 9

1.4论文的主要内容 11

2.1 运动学方程理论研究： 12

2.1.1 鲔科的运动学模型 12

2.1.2 鳗鲡的运动学模型 13

2.2运动学方程在fluent中的实现： 14

2.2.1 鱼体坐标系和惯性坐标系的关系 14

2.2.2 两个坐标系之间各参数的求法 14

2.2.3 两坐标系之间的转换 14

2.2.4 鱼体在启动时刻的变化 15

2.3鱼类模型各自的独立参数及其质心变化： 15

2.3.1 鱼类模型运动学参数： 15

2.3.2 鱼类模型形态学参数： 16

2.3.3 鱼类模型质量参数： 16

2.3.4 鱼类模型基本参数介绍： 17

2.4 功率分析的理论依据： 17

3、鲔科运动学与形态学影响分析 17

3.1 鲔科鱼类游动特征 18

3.2尾鳍模型对游动效率的影响 19

3.2.1 初始条件建立 19

3.2.2 数据对比分析 20

3.3 身体模型对游动效率的影响 23

3.3.1 初始条件建立 23

3.3.2 数据对比分析 24

3.4 频率对于鱼体效率的影响 28

3.4.1 初始条件建立 28

3.4.2 数据对比分析 29

3.5尾鳍摆动角度对游动效率的影响 33

3.5.1 初始条件建立 33

3.5.2 数据对比分析 33

3.6 本章小结 39

4、鳗鲡运动学与形态学影响分析 39

4.1 鳗鲡型鱼类的游动特征 40

4.2 扁平状对鳗鲡游动效率的影响 41

4.2.1 初始条件建立 41

4.2.2 数据对比分析 42

4.3 身体长度对鳗鲡游动效率的影响 45

4.3.1 初始条件建立 45

4.3.2 数据对比分析 46

4.4 摆动幅度对鳗鲡游动效率的影响 48

4.4.1 初始条件建立 49

4.4.2 数据对比分析 49

4.5 摆动轮廓对鳗鲡游动效率的影响 55

4.5.1 初始条件建立 55

4.5.2 数据对比分析 55

4.6 身体波波数对鱼体游动效率的影响 58

4.6.1 初始条件建立 58

4.6.2 数据对比分析 58

4.7 本章小结 62

5、鱼类形态学和运动学的促进作用 63

5.1 鳗鲡和鲔科的游动特征对比 64

5.1.1 鲔科鱼类和鳗鲡鱼类各自的游动特征 64

5.1.2 鲔科和鳗鲡形态学与运动学交叉对比 67

5.2 鲔科的形态学与运动学的促进作用 68

5.2.1 摆动幅度对鲔科形态的促进作用 68

5.2.2 身体波波数对鲔科形态的促进作用 72

5.2.3 摆动频率对鲔科形态的促进作用 75

5.3 鳗鲡的形态学与运动学的促进作用 79

5.3.1 摆动幅度对鳗鲡形态的促进作用 79

5.3.2 身体波波数对鳗鲡形态的促进作用 82

5.3.3 摆动频率对鳗鲡形态的促进作用 85

5.4本章小结 88

致 谢 89

参考文献： 90

机器鱼游动中的形态学因素和运动学因素的影响研究

1、绪论

1.1概述

人类社会随着人口的增长，资源的枯竭,探求和开发新能源是各国所面临的重要课题。根据联合国《21世纪议程》,海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分,也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富^[1],全世界正掀起了开发海洋的热潮。

在开发海洋的同时，如何提升系统的效率、机动性、并降低噪声一直是是人类思考的重点。传统的依靠螺旋桨推进的水下机器人在推进过程中会产生侧向的涡流,增加能量的无功消耗,降低其推进效率,并会产生较大的噪声，这是人们将实现转向了海洋世界的霸主——鱼类，作为地球上出现最早的脊椎动物,鱼类经过数亿年的自然选择,进化出了超强的水中运动能力,其游动具有推进效率高、机动性强、隐蔽性好、噪声低、对周围环境影响小等优点^[2]正是鱼类这些运动特点引起生物学家、工程师极大关注，深入研究其运动机理以揭示形成鱼类这些运动特点的内在原因;同时机器人学者也在鱼类的启发下,通过模仿鱼类的运动方式,不断研制和完善具有鱼类运动特点的仿生机器鱼,以期构建采用高效、高机动游动方式的新型水下机器人系统。

仿生机器学作为机械学科的新生长点，在本文国的国家安全、海洋开发、水下探测、医疗服务等领域有着重大需求。近十余年来，模仿不同鱼类的仿生机器鱼样机相继在国内外面世^[3]，如美国MIT研制的Tuna、Pike和VCUUV，日本NMRI研制的PF600、PF700和UPF2001，北航研制的SPC系列机器鱼、中科院自动化所研制的多关节机器鱼、国防科大研制的仿生波动鳍水下机器人、大连理工研制的超磁致伸缩薄膜机器人、哈工程的仿生-I号以及哈工大的鲔科机器鱼HRF-I等，这些样机的研制成功将给未来的水下推进技术带来巨大变革。仿生机器学的崛起亟需仿生力学的理论加以支撑，目前仿生推进机理的研究与机器鱼样机的研制到了同步进行的时刻，在机理方面任何一点新的突破，都将给样机的研制带来新的启示。

1.2鱼类游动方式简介

1.2.1 鱼类游动方式分类

大多数鱼类的推进方式采用泳动模式,根据运动的暂态特征,鱼类的泳动运动方式可划分为两种类别:(l)周期性泳动,其特点是鱼类通过鱼体和鱼鳍的周期性重复波动或摆动,在相对较长的时间范围内实现远程常速的稳态巡游;(2)瞬时性泳动,鱼类在捕食或逃避危险时,其瞬间的运动产生极大的向前推进力或转向力矩,一般包括快速起动和转向运动[4]。

根据鱼类泳动推进所使用的身体部位的不同,可将鱼类的推进模式分为两类:身体/尾鳍推进模式(BCF一Body/CuadalFin)和中间鳍/对鳍推进模式(MPF一Median/PairedFin)^[5，6]。BCF推进模式是鱼类最基本的泳动方式,通过躯干部和尾部大侧肌的交替伸缩,使躯干和尾鳍往复摆动,鱼体呈波浪形向前游动。按照鱼体波的波数由大至小一般分为:鳗鲡目模式、鲹科模式和月牙尾模式。MPF推进模式主要起辅助推进、保持平衡和转向的作用,鱼类利用鱼鳍基部肌肉的伸缩,使胸鳍、背鳍、腹鳍和臀鳍产生摆动或波动。按照各鱼鳍在游动中所发挥作用的大小,包括隆头鱼科模式、弓鳍鱼科模式、电鳗科模式和鲀科模式等。

1.2.2 BCF和MPF模式

两种仿生推进模式(BCF方式和MPF方式)分别具有不同的特点:(1)BCF方式的游动效率、速度和快速起动性能较高,但机动性能一般,适合长距离、高速度的游动,或者需瞬时加速和转向的场合;(2)MPF方式的推进效率和游速较低,但具有良好的灵活机动性和精确定位能力,可应用于在空间狭窄和结构复杂的场所实施各种水下复杂作业。当前己研制出的仿生水下航行器都是基于BCF方式或MPF方式,然而生物学对鱼类游动行为的研究发现,采用BCF推进方式的绝大多数鱼类均利用MPF方式,两种推进模式被同时或交替使用^[7]。许多鱼类通常利用MPF方式的机动性搜寻食物,而在逃逸或远程巡游时便切换到BCF方式。为吸纳两种仿生推进方式各自的性能优点,仿生机器鱼采用BCF方式和MPF方式相结合的推进模式,使仿生机器鱼不仅能够完成高速巡游的常规水下运动外,同时可实现一系列高机动性游动,包括上浮下潜、小角度转向、瞬时起动和倒游等。

1.2.3仿鱼推进机理的数值模拟

对仿鱼推进机理研究的一种方法是数值模拟方法，这种方法可以更好地模拟流场，可以考虑流体中更多的因素；可以得到流场的速度场信息和压力场信息，能更好地定量研究鱼体的游动性能；可重复性好。

最近，国内外的学者开始用数值模拟方法对仿鱼推进机理进行研究。Liu^[14]用粘性流模型给鳗鲡式游动的蝌蚪一定的游动速度，得到了游动过程中的力学性能和非定常力学特征，对鳗鲡模式推进的流场变化进行了讨论。杨亮等^[15]用CFD方法使流体在尾鳍周围流动分离，结合比较在同一运动模式不同速度下尾鳍的水动力性能和尾迹情况，研究了金枪鱼仿鱼游动时的流体特性和尾迹涡旋结构。

由于鲔科鱼游动的高速和高效，很多学者还对其进行了研究。哈工大的陈维山^[17]等做了基于收敛速度的仿鱼机器人游动力学性能的数值模拟，通过改变频率和摆幅，探讨其对游动性能的影响，并得出随着两者增大，推进力和功率损耗均增大，推进效率增大并逐渐趋于稳定值的结论，鲔科主要是通过尾鳍产生推力作用，并对尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响方面进行了研究，通过改变平动与摆动的相位差和最大击水角度两个参数，得到收敛速度和平均推进力随两个参数先增大后减小的变化趋势的结论。张维俊^[16]对海豚游动过程中的水动力特性进行了分析研究。它对海豚表皮的减阻特性进行分析，认为海豚柔性皮肤有被动减阻和主动减阻的作用，另外它还提出海豚获得游动所需的高升力是通过对涡进行很好控制得到的，这样可以延迟失速的发生。最后它对海豚尾涡的控制及推动效率进行了讨论。

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