仿生机器鱼机构设计及力学分析
目录
第1章绪论 (1)
1.1动机 (1)
1.2 仿生机器鱼的国内外研究现状 (2)
1.3目标与方法 (5)
1.4 论文大纲 (6)
1.5 研究内容 (6)
第2章仿生机器鱼系统设计 (8)
2.1 机器鱼的研发问题与结构组成 (8)
2.2 仿生机器鱼的机构设计 (9)
2.2.1 机械结构 (9)
2.2.2 驱动单元 (12)
2.2.3 控制传感单元及附件 (13)
2.2.4 通讯单元 (13)
2.3 控制系统 (14)
2.4 仿生机器鱼的运动控制 (15)
2.4.1 机器鱼推进运动的实现 (15)
2.4.2 上升、下潜的控制 (16)
2.5 本章小结 (17)
第3章仿生机器鱼的运动学和动力学建模 (18)
3.1 引言 (18)
3.2 问题构想 (18)
3.3 拉格朗日法方程的运用 (19)
3.4机器鱼动力学建模 (19)
3.4.1机器鱼几何学简化 (19)
3.4.2机器鱼的拉格朗日方法方程式 (20)
3.5 机器鱼的运动学分析 (33)
3.5.1 机器鱼的游动方式分析 (36)
3.6 机器鱼流体建模 (38)
3.7 本章小结 (38)
第4章机器鱼的水动力分析 (40)
4.1 流体控制方程 (40)
4.1.1 连续性方程 (40)
4.1.2 动量方程 (41)
4.1.3 能量方程 (41)
4.2 湍流理论 (42)
4.3 数值仿真体系的建立 (43)
4.4 仿生机器鱼模型的简化处理 (43)
4.5 网格划分策略 (45)
4.6 Fluent中参数的设置 (46)
4.6.1 求解模型的选择 (46)
4.6.2 求解方法的选择 (46)
4.6.3 边界条件设置 (47)
4.7 求解结果分析 (47)
4.7.1 收敛性 (47)
4.7.2 仿真结果 (48)
第5章结束语 (51)
5.1选题的主要结论 (51)
5.2 研究工作的后续可延拓问题 (51)
参考文献 (53)
致谢 (56)
作者简历 (57)
第1章绪论
1.1动机
地球表面71％是由水覆盖的。因为海洋和海洋底部的生物和矿产资源如此丰富，所以科学家们都深深地被吸引到了这个领域。近年来探索和发现海底未知世界已成为科学家们十分热衷的研究项目，这些项目包括水下考古勘探[1]，检测石油管道泄漏[2]，寻找海底矿产以及海底有毒废物[3]等。这些项目的开发和研究有其巨大的现实意义，如解决环境问题、进行深度科学探索、好的商业开发前景以及保护海洋。研究海底领域关键是拥有强大的技术手段，因而出现了水下仿生机器鱼的研究。
众所周知，机器鱼研究和开发是一个快速发展的研究领域，同时该领域可以产生众多有前途的产业机会，这些产业机会覆盖各个拥有先进技术的子系统和子领域，诸如计算机领域、微电子领域、网络技术领域、新型材料领域、传感器领域和新型计算法领域等。机器人技术的巨大进步为水下机器鱼的开发提供了重大的技术支持。从水下机器人（AUV）到遥控潜水器（ROV）[4]，甚至混合遥控潜水器，多种各式各样的水下机器人已经被科学家发明。但在与真正的鱼相比，研究的仿生机器鱼都有其缺陷，就是不能具有处理复杂的水下环境的能力。
在自然界中，一些生物给科学家提供了重要的启示和灵感，仿生机器鱼即是这些灵感转为现实产品之一，他们的能力主要来自于模仿水下最成功的生物体——鱼类。为了仿生机器鱼获得在这个未知而又现实的世界中具有更好的功能，研究人员有赖于实验室的严格谨慎的控制手段。研究人员将这种科技引入海底世界，设计了仿生机器鱼。与传统的的螺旋桨作为推动力的水下机械相比，这些新型仿生机器鱼有众多的优点，比如自行安静的游动，较高的工作效率和灵活的可操作性。
目前仿生鱼已具备了某些鲜明特性，诸如3D可控的自由游动、自动避让障碍物、自主获取视觉信息、与其他机器鱼交流的能力[5]。然而，模仿真正鱼的所有行为并使其完全自主化，仍然是一个巨大的挑战，特别是设计一种自带感知外界环境功能、能够感知外界各种力，进行实时连续性游动的机器鱼[6]。虽然科