机器鱼尾鳍运动学研究与控制系统设计

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利用仿生水中生物鱼类游动原理,可以制造出性能优良的水下推进系统,这种推进系统比现在所利用的螺旋桨在速度、机动性能和噪声方面更为出色。本文对鱼类的游动机理和尾鳍运动学原理进行分析,提出利用尾鳍摆动轨迹研究机器鱼的运动学原理方法,设计并实现了一种三关节仿BCF(Body and/or Caudal Fin身体加尾鳍)高效推进方式机器鱼模型(OuceFish-Ⅰ),通过对机器鱼的姿态、运行轨迹进行控制和分析,并对机器鱼的实验结果做了分析,达到研究分析机器鱼的运动学原理的目的。这些工作为将来的机器鱼研究奠定了基础。 全文分为以下几部分:第一部分,综述了机器鱼研究发展情况的现状,并对本文的主要工作进行了简单的介绍。 在第二部分里描述了鱼类游动机理和行为特征,并对本文为何选择BCF推进式鱼类作为仿生对象作了解释,并说明了尾鳍运动学参数和受力情况。 在第三部分,本文分析了鱼类尾鳍推力方程,说明了提高尾鳍摆动的振幅和频率可以提高尾鳍的前向推力。机器鱼的模型建立是把理想的BCF推进式鱼类分为三个部分,分别是:前部刚性的身体,大展弦比的尾鳍和一个连接以上两部分的尾颈。根据以上模型,本文给出了机器鱼在某个时间段匀速下机器鱼两关节尾鳍摆动轨迹方程。 第四和第五部分利用MCU(68HC908MR8)实现了对以上模型运动轨迹的实时操作控制,设计完成机器鱼模型(OuceFish-Ⅰ),使机器鱼能利用两关节摆动薄片作为推进器游动。 第六部分通过机器鱼的自主游动实验,初步模拟了机器鱼利用尾鳍摆动推进前进,考察了实验条件下设定鱼的尾鳍摆动相关参数的情况下鱼的游动速度和尾鳍的摆动轨迹情况。 最后,第七部分概述了本文的主要成果,并提出了未来研究工作的着重点和方向。
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