水下仿生機器魚的研究進展IIIDD水動力學實驗研究

1、文章編號 2 2 2水下仿生機器魚的研究進展 水動力學實驗研究梁建宏 王田苗 魏洪興 陶 偉北京航空航天大學機器人研究所 北京摘 要 作為仿生推進技術(shù)研究的一個主要環(huán)節(jié) 仿生機器魚平臺的實驗測試研究具有重要的意義 本文建立了一套比較系統(tǒng)完整的機器魚水動力學定性觀察 定量測量的實驗環(huán)境 并進行了速度功率參數(shù)影響測定實驗! 魚體流動顯示實驗和魚體運動阻力測定實驗關(guān)鍵詞 機器魚 功率測試 流動顯示 阻力測試中圖分類號 ×° 文獻標識碼 2 × 2 2¬ × ¬ × ¬ ¬ ¬ 2 ¬ 1 引

2、言 對水生動物的流體力學研究始于二十世紀六十年代 近年來隨著仿生學的發(fā)展 人們對海洋生物高超的推進能力有了新的認識 并試圖通過先進的實驗設(shè)備和手段 解釋魚類獨具的高效! 高機動性的推進機理 年 率先對體形瘦長以鰻鱺模式游動的游魚提出了細長體模型 得到了定常線性化解 年加州理工大學的× 提出了二維波動模型 加入了前緣吸力及尾緣尾跡的作用對于以魚參科模型和月牙尾推進的情形 波狀擺動主要集中于后體 而后體段逐漸縮小形成尾柄 然后連接展長較大的尾鰭 波幅劇烈增大 基于線化理論的解體方法已不能處理 研究主要用實驗方法 典型的工作是 ×的× 等有關(guān)水翼 二維翼剖面 作的擺動的

3、實驗 表明在一定的頻率! 振幅等參數(shù)組合下 推進效率可以接近 他們還用物體在擺動水翼前產(chǎn)生尾渦以模擬魚身的尾跡 表明了擺動尾鰭可利用這些旋渦 進一步提高推力和推進效率 使得人們對魚類的高效推進機理的認識提高了一大步對于急劇激動 如爆發(fā)啟動! 快速轉(zhuǎn)彎的魚類 也有了一些研究 等人 年用°方法的流動顯示方法 顯示了產(chǎn)生快速機動時伴隨有體渦與尾鰭的相互作用年 ×的 等對擺動魚體的減阻進行了研究 他們對自行研制的一條實驗用的 自由度仿生機器魚在水槽中進行了拖曳實驗 測試了阻力降低的效果對于五個參數(shù) 即相位角 波長 沖擊角 尾跡寬度 數(shù) 的變化所受的影響 證明阻力降低對兩個因素敏感

4、一個是身體的波動速第 卷第 期 年 月機器人 基金項目 中國科學院機器人學開放研究實驗室基金資助項目 收稿日期度要超過運動速度 另一個是 數(shù)只能在一定范圍內(nèi) 運動 在一定條件下 阻力最大可以降低約 他們同時運用數(shù)字仿真對流場進行了仿真 這次實驗得到的許多有用結(jié)果對于魚體游動機理的實驗和理論研究有著非常重要的意義為了研制高速! 高效和高機動的微小機器魚 還有許多工作要做 例如 上述有關(guān)水翼高效推進的工作中 考慮的是二維剖面 其可代表大展弦比尾鰭 卻未計及/月牙形0的作用 再如 快速機動問題的研究中 雖然揭示了快速轉(zhuǎn)彎和漩渦產(chǎn)生有關(guān)聯(lián) 但解釋都是定性的 此外運動魚的復雜三維非定常流動的實驗室定量實

5、驗觀測仍存在不少技術(shù)難點 仍被認為是一種很大挑戰(zhàn)性的問題作為仿生推進機理研究的一個主要環(huán)節(jié) 仿生機器魚的實驗測試研究具有重要的意義 目前國內(nèi)尚未開展這方面的工作 本文針對最近研制的小型機器魚實驗平臺 建立了一套比較系統(tǒng)完整的機器魚水動力學定性觀察 定量測量的實驗環(huán)境 并進行了速度功率參數(shù)測定實驗! 魚體流動顯示實驗和魚體運動阻力測定實驗 速度功率參數(shù)測定實驗通過測量仿生機器魚在不同的游動參數(shù) 如相對波長! 頻率! 擺動幅度情況下的游動速度和消耗的功率 評價上述方程參數(shù)對于游動性能的影響 魚體流動顯示實驗則通過觀察仿生機器魚在不同擺動頻率和振幅狀態(tài)下的動態(tài)流場 觀察水流的漩渦分離 獲取魚的擺動推

6、進深層次機理 阻力測定實驗通過測定魚體靜態(tài)時在不同水流速度下的阻力 以評估魚體游動在不同參數(shù)的影響下游動的效率2速度功率測試實驗 2 1 實驗系統(tǒng)構(gòu)成實驗在北京航空航天大學水洞實驗室進行 該水洞為低速水洞 速度范圍 米Ù秒 工作截面 米 是循環(huán)封閉式水洞 整個實驗系統(tǒng)由機器魚實驗平臺! 控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成 如圖 所示 圖 功率速度測試系統(tǒng)圖 ° 在本實驗中 魚體采用相對波長不同的方程測試了在不同頻率下魚體游動的速度以及消耗的功率 對相對波長! 頻率與游動效果的關(guān)系進行了初步研究 實驗方程包含兩種自由度的方程 分別是 自由度和 自由度 其中 自由度是在 自由度魚體的基

7、礎(chǔ)上用軟件鎖定了第一! 二! 三自由度實現(xiàn)的 數(shù)據(jù)通過攻角和擺動關(guān)系計算出來 自由度采用相對波長分別為 Ù Ù Ù 的四個方程 其中 Ù 的方程還采用了小振幅和大振幅兩種 每個頻率挑選了 四個頻率進行實驗測定速度和功率 另外同時實驗了手控器內(nèi)單片機儲存的方程 這些方程相對波長為 但是幅度要大于普通前述方程 采用了運行效果相對較好的六種頻率實驗中 機器魚完全沒入水面以下 包括尾鰭 約 水流速度穩(wěn)定 基本穩(wěn)定后進行速度和功率測定2 2 實驗數(shù)據(jù)分析2 2 1 同頻率變相對波長魚體 自由度穩(wěn)定運行的各擺動方程中 當振第 卷第 期梁建宏等 水下仿生機器魚的研究進

8、展 水動力學實驗研究幅和頻率保持不變時 速度和功率數(shù)值隨著身體的相對波長的增加而加大 其中速度數(shù)值還近似與相對波長成正比例增長 圖 和圖 是相對波長為的各方程中頻率為 赫茲時 此種頻率下魚體運行非常穩(wěn)定 不會出現(xiàn)側(cè)向的晃動 的速度和功率隨相對波長改變的曲線 圖 等頻率條件下波長2速度曲線 2 圖 等頻率條件下波長2功率曲線 2 速度 相對波長函數(shù)關(guān)系中經(jīng)過對實驗點進行最小二乘法的線性回歸直線擬合 即根據(jù)公式計算出 其中為相對波長 是個無量綱數(shù) 的單位是 Ù為速度和相對波長的關(guān)系 2 2 2 等相對波長變頻率魚體游動過程中 當振幅和相對波長保持不變時 隨著頻率的增加 魚體的速度和功率都

9、會增加 圖 和圖 是在實驗標準振幅和相對波長為 Ù 時魚體的速度和功率隨頻率變化的情況 可以比較明顯的看出 速度和功率都在隨著頻率的增加而逐漸增加 但是在圖 中當頻率為 赫茲的時候雖然消耗的功率較頻率為 赫茲的方程消耗的功率多 但是相應的速度反而下降 這主要是存在著當頻率達到某一頻率的時候 魚體擺動的非常劇烈 輸入的功率大量轉(zhuǎn)移成為魚體中前部的劇烈晃動 前進推力大大降低 魚體速度下降 圖 等波長條件下頻率2速度關(guān)系 2 圖 等波長條件下頻率2功率關(guān)系 2 2 2 3 某個頻率下發(fā)生的劇烈晃動魚體本身的穩(wěn)定性起著非常重要的作用 魚體擺動的過程中 可能存在著某一個諧振頻率 在這個頻率下

10、魚體的擺動會造成魚身的強烈晃動 造成輸入的功率大量消耗在頭部和中前部的晃動上 致使魚體產(chǎn)生的前進推力不足和阻力的加大 在這種情況下 雖然消耗的功率仍然比著前一頻率在增大 但是速度反而下降 在此次實驗的過程中 在每個方程選定的四個頻率中 各波長的方程都是在頻率為時發(fā)生強烈的晃動 說明了這一頻率的存在不受波長以及振幅和自由度等因素的影響3 流場顯示實驗 流動顯示的任務是使流體的傳輸過程可視 通過各種流動顯示 可以了解復雜的流動現(xiàn)象 探索其物理機制和運動規(guī)律 為人們發(fā)現(xiàn)新的流動現(xiàn)象 建立新的概念和物理模型提供依據(jù)通過觀察仿生機器魚在不同擺動頻率和擺動幅度狀態(tài)下的動態(tài)流場 觀察水流過動態(tài)魚體后的漩機

11、器 人 年 月渦分離 可以研究魚的擺動推進機理并和理論計算結(jié)果相驗證 研究漩渦產(chǎn)生和推進力的關(guān)系3 1 實驗構(gòu)成實驗裝置由八線張線系統(tǒng)! 相機! 攝像機和軟件處理平臺組成 其中攝像機可用于動態(tài)記錄流場 同時作為攝像采集處理平臺的攝像頭實驗機器魚由八根張線固定在水洞中 實驗段長度大約 米 實驗寬度 米 實驗深度米 魚體在水下大約 米 通過內(nèi)部張線支撐裝置將魚體頭部固定在一個靠自重穩(wěn)定的鋼架上 中段是一個上部帶孔的密封腔 它主要起連接作用 連接頭部和后部擺動部分 上部的孔用于引出后部的天線和電源線 魚體在水中基本可以保持浮力和重力的平衡 調(diào)整張線 可以使魚的軸線和來流方向平行 魚體后部在水中自由擺

12、動3 2 實驗現(xiàn)象記錄實驗得到大量漩渦形成和演變的連續(xù)圖像 圖從宏觀上看 尾鰭拍動產(chǎn)生了反卡門漩渦序列漩渦是在尾鰭前緣卷起生成的 并在每次反向拍動時脫落 一個周期形成一對旋向相反的漩渦 這些現(xiàn)象與國外研究的結(jié)果類似 進一步的分析目前還在進行中 圖 魚體由八根張線固定在剛架上 ¬ 圖 尾部漩渦的脫落過程 ¬3 3 實驗結(jié)果分析尾鰭后部形成了反卡門漩渦陣列 一對方向相反的漩渦與推力產(chǎn)生有著重要的關(guān)系 在實驗中 我們特別注意到了前緣漩渦 以往的研究多是建立在分析二維脫落渦街的基礎(chǔ)上 認為推動魚體前進的主要是漩渦的合成或耦合 而我們在這次觀察中發(fā)現(xiàn)魚尾鰭在擺動時主要是前緣的渦在起作

13、用 在尾鰭的拍動中 前緣卷起很強的錐形渦 并穩(wěn)定的附著在尾鰭表面 從而可能提供了很高的升力 渦的三維特性十分明顯 需要進一步的實驗手段和分析方法才能進行精確觀測和分析4 阻力測定實驗 我們使用了水洞的實驗裝置 三分力天平 三分力天平是個磁感應天平 通過改變兩個磁極之間的間隙 從而改變磁場來測定力 感應天平每個方向由一個活動板通過彈簧片和支架相連 支架固定不動 當活動板受力時 活動板前端的磁極位置就會改變 而改變的位移和受力的規(guī)律與后部的彈簧鋼片的撓度有關(guān) 基本上是線性關(guān)系 位移的改變可以第 卷第 期梁建宏等 水下仿生機器魚的研究進展 水動力學實驗研究通過與活動片固連的磁極的改變來測定 通過一個

14、平衡電橋?qū)⑤敵鲭妷簜鞯接嬎銠C的采集卡 采集入計算機 然后通過一套計算軟件 計算出某一特定電壓對應的阻力 由于磁極位移改變造成前端有一個形槽 通過一個夾板把魚體的天線固定在天平的活動板上 由于魚體的天線和魚體是固連的 魚體天線的位移也就是魚體的位移 同時魚體所受的阻力也就是三分力天平測定的阻力我們把三分力天平固定在水洞上方 前端的活動板與魚體上部的天線相連 然后調(diào)節(jié)水流速度 測定在不同水流速度下魚體的阻力測得的魚體所受的阻力與水流速度關(guān)系如圖 所示 可以看出 理論速度與實測速度非常接近 由此可證明阻力測試系統(tǒng)的可靠性 圖 阻力測量系統(tǒng)實物圖 圖 靜態(tài)阻力與水流速度的關(guān)系 5 結(jié)論 在本文中我們建立起一套完整的機器魚實驗測試平臺 平臺包括仿生機器魚平臺系統(tǒng)! 水洞實驗槽! 功率測量系統(tǒng)! 流場觀測系統(tǒng)和阻力測試系統(tǒng) 并進行了各系統(tǒng)的實驗測試 結(jié)果證明這套實驗平臺是正確有效的 實驗結(jié)論如下魚體游動效果與擺動的頻率和相對波長有很大關(guān)系 在進行的實驗參數(shù)范圍內(nèi) 速度和消耗