剛性撲動仿生蝠鲼魚的設計*

朱紅萍 曾 鑫 蘇世杰

1.沙洲職業工學院 智能制造學院 江蘇蘇州 215600

2.江蘇科技大學 機械工程學院 江蘇鎮江 212100

1 設計背景

近年來,以魚類為仿生對象,設計高效的水下推進裝置成為國內外高校機器人領域研究的熱點。魚類推進模式主要有身體/尾鰭推進模式和中央鰭/對鰭推進模式兩種。其中,中央鰭/對鰭推進模式依靠中間互相對稱的對鰭進行推進。

國內外專家學者一直致力于對仿生機器魚的研究工作。1994年,美國麻省理工學院研制出世界上第一條仿生魚,整個仿生魚身由六臺電機驅動,實現搖擺身體和尾鰭游動。20世紀末,日本東海大學研發出采用胸鰭推進法推進的仿生機器魚,后來經過技術升級,于2000年研制成功一種機器魚,通過電機驅動兩側的胸鰭,實現倒向游動及原地懸停。世界上第一條通過剛性胸鰭擺動的仿生機器魚由 Kato等[1]在 2004 年研制成功,這條機器魚的胸鰭面用一層薄膜覆蓋,內部通過四連桿機構驅動。

在國內,哈爾濱工程大學采用藍鰭金槍魚為仿生對象,在2002年成功研制仿生機器魚,通過伺服電機驅動胸鰭和尾鰭共同擺動,實現推進。北航機器人研究所從 2005 年開始對胸鰭擺動推進的仿生機器魚進行研發,先后完成三代樣機的研制和測試工作。2010年,哈爾濱工業大學王揚威等[2]應用形狀記憶合金研制了一款胸鰭推進的仿生機器魚。這種仿生機器魚與傳統水下電機驅動的機器魚相比具有更高的穩定性,并且幾乎不存在噪聲[3]。2016年,蘭州交通大學李宗剛等[4]以箱鲀為原型,設計了一種依靠胸鰭擺動推進的機器魚。這一機器魚只有兩個自由度,主要是研究它的轉彎特性,設計比較新穎。

目前,國內外學者對仿生機器魚運動的研究主要涉及胸鰭、尾鰭剛柔共融、柔性波動。此類仿生機器魚通常體積較大,結構復雜,且產生的推力不大。而對蝠鲼魚胸鰭剛性撲動的研究則不多,且不夠深入。筆者對仿生蝠鲼魚胸鰭剛性擺動機理進行研究,通過水動力學仿真試驗確定最佳撲動參數,設計出仿生魚體結構及其控制系統,實現定點游動的目的。

2 仿生蝠鲼魚水動力學分析

為了能準確模擬仿生蝠鲼魚胸鰭在水中運動的真實情況,分析得出影響胸鰭擺動效能的主要參數,需要建立胸鰭模型,并進行水動力學分析。

2.1 胸鰭運動幾何模型

蝠鲼魚前進的動力主要來源于胸鰭的擺動。蝠鲼魚胸鰭擺動過程中,身體的主體部分為剛性轉動,存在柔性運動的部分主要是胸鰭。不考慮胸鰭面的柔性變形,剛性胸鰭的運動主要有前后方向劃動、上下方向拍動、轉動三個基本運動。胸鰭擺動推進主要依靠寬大的胸鰭在擺動過程中受到的水的阻力,使魚體受到與水阻力相反的推進力而實現。蝠鲼魚胸鰭推力如圖1所示,θ與θ′分別為胸鰭擺動時兩個不同時刻的振動幅值,F與F′分別為胸鰭擺動時兩個不同時刻產生的推進力。

圖1 蝠鲼胸鰭推力

為了分析胸鰭擺動規律,先建立胸鰭的幾何模型。仿生蝠鲼魚胸鰭橫截面三維模型采用NACA0012翼型結構,并按照文獻[5]觀測到的胸鰭比例,對仿生蝠鲼魚的單側胸鰭進行建模。建立相應坐標系O-XYZ,胸鰭弦長方向為X軸,展長方向為Y軸,垂直于胸鰭面的方向為Z軸。胸鰭的弦長c取200 mm,展長s取180 mm。仿生蝠鲼魚胸鰭物理模型如圖2所示。

圖2 仿生蝠鲼魚胸鰭物理模型

Anderson等[6]在研究中,通過垂蕩與旋轉運動的組合,模擬低波數情況下的胸鰭運動。此類簡化無論在仿真或是實體機器魚的運動控制時都較為簡便,將胸鰭看作撲動的剛體。仿生蝠鲼魚胸鰭模型上的波動和振蕩實際上是通過變形得到的真實運動簡化模型,胸鰭的連續部分存在撲動運動,具有不同的相位角和振幅。將剛性胸鰭的耦合線性垂蕩運動和旋轉運動定義為正弦函數[7-9],有:

θ(t)=θ0sin(2πft+φ)

(1)

h(t)=h0sin(2πft)

(2)

式中:θ(t)為旋轉運動的實時輸出角度;t為運動時間;θ0為旋轉運動的最大角度;f為拍動頻率;φ為垂蕩運動和旋轉運動之間的相位差;h(t)為垂蕩運動的實時輸出高度;h0為垂蕩運動的最大高度。

2.2 胸鰭擺動水動力學計算式

推力因數用于描述物體所產生的推力,值越大,物體所產生的推力越大。在流體力學運動中,無量綱推力因數Ct可被定義為:

(3)

As=cs

(4)

式中:U為蝠鲼魚的穩態游動速度;Ft為蝠鲼魚受到的推力,方向與蝠鲼魚前進方向一致;ρ為蝠鲼魚所處環境的液體密度;As為胸鰭Z方向的投影面積。

對于仿生蝠鲼魚而言,仿生胸鰭擺動時受到的水動力是運動的主要動力。胸鰭模式下的前進和轉向動作均可通過調整仿生胸鰭的擺動狀態來實現。為了能更好地研究胸鰭擺動時的水動力學性能,設計以X方向的推力因數為評價指標。

借助XFlow仿真軟件,以剛性胸鰭原地撲動的方式進行仿真,通過改變胸鰭搖拍翼幅值和頻率,設計各組試驗。

2.3 胸鰭仿真環境

參考實驗室風洞試驗,在XFlow 軟件中采用虛擬風洞的三維外流場域類型?？紤]模型在仿真風洞試驗中的阻塞問題,當風洞試驗的阻塞比低于5%時,不需要對模型阻塞效應干擾產生的誤差進行修正[10]。設計流體域尺寸為 3.6 m×2.4 m×2.4 m,流體域及胸鰭模型如圖3所示。

圖3 流體域及胸鰭模型

設置胸鰭撲動頻率、撲動角度幅值,仿真時間周期為5 s,幀頻率為 50 Hz,總幀數為250。流體域中的流體設置為水,溫度為288.15 K,密度為998.3 kg/m3,動力黏度為1×10-3Pa·s。

為得到胸鰭在穩態時的游動速度,可以依靠改變來流速度,使推進力為0,則此時加速度也為0,來流速度與仿生魚穩態游動速度相等。

2.4 分析結果

筆者主要研究X方向的推力因數,將其用于評價胸鰭擺動時的水動力學性能,因此需要控制頻率和幅值兩個因素。根據文獻[5]結果,胸鰭運動時推進力隨著胸鰭撲動頻率的提高而增大。1 Hz時,胸鰭的推進力最大。取胸鰭撲動幅值區間為22.5°～52.5°,均勻等分為五個水平,使用L25(52)正交表進行試驗,設計25組試驗。正交水平列舉表見表1。

表1 正交水平列舉表

正交試驗數據見表2。

表2 正交試驗數據

根據正交試驗中的方差分析法進行數據處理,并分析比較數據[11]。

幅值趨勢如圖4所示。胸鰭在X方向運動,幅值在45°時為最優因數。胸鰭在Z方向運動,幅值在45°時為最優因數。因此,胸鰭的游動最佳組合為X方向45°、Z方向45°。推力因數分布如圖5所示,驗證了在最佳組合時的推力因數最大。

圖4 幅值趨勢

圖5 推力因數分布

取最佳游動參數,胸鰭搖拍翼時,X方向幅值為45°,Z方向幅值為45°,對此進行仿真,得出胸鰭在一個周期內運動的壓力,如圖6所示。

圖6 胸鰭一個周期內運動壓力

從3 s到4 s為一個周期。3.125 s到3.5 s時,胸鰭的前側壓力不斷減小,后側壓力不斷增大,3.5 s時總壓力為734.160 Pa。在3.5 s到4 s時,胸鰭前側壓力不斷增大,后側壓力不斷減小。在運動過程中,胸鰭的前側與后側不斷形成高壓和低壓中心,仿生蝠鲼魚在胸鰭前側與后側的壓力差作用下產生一定推力,向前運動。

胸鰭在一個周期內運動的X方向和Z方向扭矩如圖7所示。在一個周期內,3.125 s到3.5 s時,胸鰭的壓力和所需的X方向扭矩在不斷增大,3.5 s時X方向最大扭矩大約為0.3 N·m。3.5 s到4 s時,胸鰭的壓力和所需的X方向扭矩不斷減小。

圖7 胸鰭一個周期內運動扭矩

3 結構設計

筆者設計的仿生蝠鲼魚工作深度范圍設定在水下0～10 m,基體和胸鰭截面選取類翼型截面形狀,取基體長約0.3 m,翼展約0.68 m,整個仿生蝠鲼魚質量約為3 kg,胸鰭撲動幅值范圍為15°～ 45°,撲動頻率范圍為0.2 ～1 Hz,續航時間為20～30 min[12-14]。所設計的仿生蝠鲼魚三維結構主要由基體、過渡板、蒙皮、胸鰭等部分組成,如圖8所示。

圖8 仿生蝠鲼魚三維結構

基體由光敏樹脂材料經三維打印得到,用于裝載控制系統所需的電子元器件。中間隔板將整個基體分為上下兩部分,上半部分用于放置電器元件,下半部分用于放置電池與配重等。外部設有電池開關、攝像頭、深度計、航空插頭,遠離頭部一側設置有深度計和全球定位系統模塊。過渡板也由光敏樹脂材料經三維打印而得。過渡板與基體間設有防水橡膠墊,防止水滲入基體破壞電子元器件,保證仿生蝠鲼魚具有良好的防水性能。蒙皮是緊貼在左右兩端胸鰭的圓柱墊片與過渡板處的硅膠材質結構,經模具壓制凝固后脫模。蒙皮內部通過過渡板的注油孔進行注油操作,以達到平衡蒙皮浮力、減小配重的目的。仿生蝠鲼魚的胸鰭采用光敏樹脂經過三維打印成形,運動方式為剛性撲動。

1號舵機實現胸鰭的拍打運動,2號舵機實現胸鰭的旋轉運動。

仿生蝠鲼魚胸鰭的擺動由舵機驅動,需要選擇合適的舵機向仿生蝠鲼魚提供動力。對于舵機型號的選擇,通過蝠鲼魚胸鰭水動力學分析,結合最大推進力,確定仿生蝠鲼魚舵機性能參數,以保證所選型號的舵機能正常驅動胸鰭擺動,產生合適的扭矩[15-17]。由動力學分析可知,X方向最大扭矩大約為0.3 N·m,總壓力為734.160 Pa。仿生蝠鲼魚所需的推力矩與擺動振幅正弦函數的二次方成正比,與擺動頻率的二次方也成正比。其它參數是仿生蝠鲼魚的固定參數,不會隨運動改變而改變。仿生蝠鲼魚的頻率和擺動振幅對力矩的大小有決定性作用,進一步驗證了仿真結果。

4 控制系統

根據仿生蝠鲼魚胸鰭運動規律設計控制系統,硬件結構如圖9所示?？刂葡到y以樹莓派單片機為下位機,全球定位系統模塊、舵機、遠距離無線傳輸模塊、無線保真模塊、攝像頭等通過通用串行總線協議與樹莓派單片機通信,陀螺儀與深度計通過集成電路總線協議與樹莓派單片機通信。動力電池為樹莓派單片機擴展板供電,遠距離無線傳輸模塊、全球定位系統模塊、舵機、陀螺儀、深度計等與樹莓派單片機擴展板上對應的針腳相連,完成通信和供電。攝像頭與無線保真模塊連接樹莓派單片機通用串行總線接口,進行通信或供電。通過遠距離無線傳輸模塊和無線保真模塊雙通道與上位機通信,全球定位系統模塊、陀螺儀、深度計等可獲取經緯度、偏航角、深度等位置信息。攝像頭可獲取水下實時圖像。

圖9 控制系統硬件結構

四個總線舵機分別布置在仿生蝠鲼魚兩側,通過樹莓派單片機相關設置后,可控制各個舵機轉動角度和頻率,使仿生蝠鲼魚實現靜止、前進、轉彎等動作。

選用JY901陀螺儀,方便確定仿生蝠鲼魚當前運動的實時姿態及位置。MS5837 壓力傳感器用于探測水的深度,分辨率高達 2 mm。需要兩個遠距離無線傳輸模塊實現通信,一個與上位機通過通用串行總線相連,另一個與樹莓派單片機拓展板接口連接。

仿生蝠鲼魚總體控制方案主要可實現以下控制功能:給定仿生蝠鲼魚游動到達的目的位置;控制系統依據傳感設備所采集的狀態信息,計算出當前仿生蝠鲼魚所處的實際位置,與給定的期望位置進行比較,計算得出目標偏差值,將此偏差值作為控制算法的輸入值;由決策系統通過輸入的信息進行自主決策,控制仿生蝠鲼魚的舵機來執行相應動作,最終控制仿生魚胸鰭完成撲動、旋轉動作;循環檢測實際位置與期望位置的偏差,實時判斷是否到達目標位置,實現閉環控制。仿生蝠鲼魚控制流程如圖10所示。

圖10 仿生蝠鲼魚控制流程

5 樣機研制

為了驗證仿生蝠鲼魚的游動性能,檢驗能否完成設定功能,將組裝后的仿生蝠鲼魚置于水上進行原地調試,如圖11所示,檢驗能否實現各種動作功能。進行系統測試,主要包括視頻傳輸測試、傳感設備讀取測試、運動控制測試。通過無線保真模塊進行視頻傳輸測試,結果顯示能較好實現上位機獲取實時視頻,如圖12所示。

圖11 仿生蝠鲼魚水上原地調試

圖12 仿生蝠鲼魚視頻傳輸測試

上位機軟件讀取仿生蝠鲼魚的數據,包括陀螺儀數據、全球定位系統數據、當前運動狀態、深度計數據,可以獲取航向角、經緯度,以及當前速度、距離、深度等數據,進而準確獲取仿生蝠鲼魚的實時狀態,能更好地下達控制指令。上位機軟件運動控制可以實現手動控制和自動控制,手動控制可以控制前進、后退、轉向、下潛、上浮、加速等,自動控制可以輸入目標點坐標位置,然后自動游動至定位的目標點。上位機軟件運動控制界面如圖13所示。

圖13 上位機軟件運動控制界面

經過現場調試,仿生蝠鲼魚能很好地完成直游、左轉、下潛、上浮等動作,如圖14所示。

圖14 仿生蝠鲼魚現場調試

6 結束語

筆者研究了仿生蝠鲼魚在中央鰭/對鰭推進模式下胸鰭剛性擺動時的水動力性能,通過仿真分析各組試驗數據,得出仿生蝠鲼魚最佳游動時的幅值、頻率及所需的推進力。根據水動力分析得出的最大推進力,合理選擇舵機型號,對仿生蝠鲼魚整體結構進行設計,結合控制要求設計控制系統。對組裝的仿生蝠鲼魚樣機進行現場調試,確認能較好實現預設功能。對剛性撲動仿生蝠鲼魚進行設計,為后續進一步研制全柔性翼蝠鲼式仿生魚,進行更加復雜的定點游動任務打下堅實基礎。