陳國(guó)軍,林羊龍,金 俊,陳 巍,楊 雪

(南京工程學(xué)院 工業(yè)中心,江蘇 南京,211167)

0 引言

近年來,水下機(jī)器人研究逐漸成為熱點(diǎn),其中仿生機(jī)器魚以其水下環(huán)境游行適應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)受到研究人員的青睞。自然界中,使用胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)的魚類在穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、隱蔽性和能耗性等方面都優(yōu)于其他魚類。而使用胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)的魚類中最具代表性的就是蝠鲼,仿生機(jī)器蝠鲼的研究涉及以蝠鲼為原型的仿生結(jié)構(gòu)研究、控制電路設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制算法研究[1],這些研究能夠?yàn)檠兄菩伥捦七M(jìn)類仿生機(jī)器魚提供理論基礎(chǔ)。仿生機(jī)器蝠鲼獨(dú)特的胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)方式能夠?qū)崿F(xiàn)水下滑翔游行,起到節(jié)省能耗的作用[2]。因此,更適合風(fēng)浪干擾環(huán)境下作業(yè)和水下長(zhǎng)航時(shí)作業(yè)需求。

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Chen 等 [3]使用離子交換聚合金屬材料(ion-exchange polymer metal composite,IPMC)制作仿生機(jī)器蝠鲼胸鰭,通過向智能驅(qū)動(dòng)材料施加一定電壓使其產(chǎn)生形變從而獲得驅(qū)動(dòng)力[4],實(shí)現(xiàn)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。這種方法制作的仿生機(jī)器蝠鲼雖然結(jié)構(gòu)看上去很緊湊,但在實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用中會(huì)存在驅(qū)動(dòng)力小、控制精度低的問題[5]。

國(guó)內(nèi)不少高校和科研機(jī)構(gòu)也致力于仿生機(jī)器蝠鲼的研究,北京航空航天大學(xué)選擇蝠鲼作為仿生對(duì)象,基于生物學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)方式研制了仿生機(jī)器蝠鲼Robo-ray I-V。一代樣機(jī)到五代樣機(jī)變化的不僅僅是外形,更是仿蝠鲼胸鰭推進(jìn)方式的改進(jìn)。在Robo-ray V 中,將胸鰭的可控主動(dòng)變形與被動(dòng)柔性變形相結(jié)合,較好地實(shí)現(xiàn)了功能仿生與形態(tài)仿生的結(jié)合。

西北工業(yè)大學(xué)Zhang 等[6]在近年間針對(duì)仿生蝠鲼機(jī)器人展開了大量設(shè)計(jì)及研究,設(shè)計(jì)制作滑撲一體自主變形仿生柔體潛航器,完成了1 025 m深海測(cè)試,并針對(duì)胸鰭的柔性和形狀對(duì)仿生蝠鲼機(jī)器人水下動(dòng)力性能的影響展開研究[7],此外還對(duì)仿生蝠鲼機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)姿態(tài)仿生相似性進(jìn)行評(píng)估并通過動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整(dynamic time warping,DTW)算法和中央模式發(fā)射器(central pattern generators,CPG)網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化[8]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)高帥[9]建立了蝠鲼動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真,并在此基礎(chǔ)上開展研制工作。樣機(jī)主要由外殼、胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)和偏心輪機(jī)構(gòu)等幾部分構(gòu)成。機(jī)器蝠鲼胸鰭通過剛性鰭條連接到偏心輪機(jī)構(gòu)上,再由電機(jī)帶動(dòng)偏心輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)推進(jìn)。該仿生機(jī)器蝠鲼能夠?qū)崿F(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎和逆游功能,但無法實(shí)現(xiàn)沉浮功能。

綜上,國(guó)內(nèi)外開展的仿生機(jī)器蝠鲼研究[10]主要可以分為兩大類: 一類是使用IPMC 和形狀記憶合金類智能驅(qū)動(dòng)材料[11]來完成胸鰭擺動(dòng)的機(jī)器蝠鲼,另一類是使用電機(jī)或舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)鰭條擺動(dòng)的機(jī)器蝠鲼[12]。使用智能驅(qū)動(dòng)材料驅(qū)動(dòng),通過施加一定電壓使其產(chǎn)生形變從而獲得驅(qū)動(dòng)力,這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是噪音小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但存在驅(qū)動(dòng)能力弱、控制精度低的問題。使用電機(jī)或者舵機(jī)驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)力大且控制精度高,但在機(jī)器魚外形結(jié)構(gòu)上仿生效果較差。

針對(duì)上述問題,文中通過對(duì)蝠鲼仿生學(xué)特征的分析,得到蝠鲼游動(dòng)時(shí)胸鰭擺動(dòng)規(guī)律,并根據(jù)蝠鲼的胸鰭輪廓得到其外形輪廓曲線擬合函數(shù)。通過分析蝠鲼游動(dòng)特點(diǎn),建立蝠鲼的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,以仿生學(xué)和建模為基礎(chǔ),完成樣機(jī)設(shè)計(jì),并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)試驗(yàn),驗(yàn)證其可行性與正確性。

1 仿生機(jī)器蝠鲼建模與分析

對(duì)蝠鲼進(jìn)行生物學(xué)特征分析與建模,分析真實(shí)蝠鲼運(yùn)動(dòng)特征建立蝠鲼的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,可準(zhǔn)確模仿蝠鲼運(yùn)動(dòng)方式,為仿生機(jī)器魚的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過將生物學(xué)特性與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)更符合自然運(yùn)動(dòng)的仿生效果。

1.1 機(jī)器蝠鲼的仿生學(xué)特征

蝠鲼身體呈扁平狀,一對(duì)胸鰭展開后,身體的寬度大于長(zhǎng)度,胸鰭長(zhǎng)大如翼狀,尾巴細(xì)長(zhǎng)。游行時(shí)主要依靠胸鰭發(fā)力,尾巴幾乎不起作用,因此在研究蝠鲼生物學(xué)特征時(shí)主要對(duì)胸鰭進(jìn)行分析。蝠鲼的游行主要分為2 種: 左胸鰭和右胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式和滑翔模式,這2 種模式在蝠鲼游行時(shí)切換進(jìn)行。在滑翔模式下蝠鲼左右胸鰭都不擺動(dòng),很大程度上節(jié)省了蝠鲼體力。當(dāng)蝠鲼需要前游時(shí),左右胸鰭往往同時(shí)發(fā)力,做上下擺動(dòng),胸鰭擺動(dòng)的頻率決定了蝠鲼游行速度。當(dāng)蝠鲼需要轉(zhuǎn)彎游行時(shí),左右胸鰭上下擺動(dòng)頻率不同,往哪個(gè)方向轉(zhuǎn)彎,相應(yīng)方向胸鰭擺動(dòng)頻率低一些,甚至出現(xiàn)停止擺動(dòng)。一般情況下,蝠鲼左右胸鰭的最大擺動(dòng)角度能達(dá)到80°左右。Fish 等[13]對(duì)蝠鲼進(jìn)行水下動(dòng)力性能研究時(shí),建立如圖1 所示的游動(dòng)胸鰭運(yùn)動(dòng)周期圖(T代表1 個(gè)運(yùn)動(dòng)周期),可見胸鰭擺動(dòng)類似于正弦波的傳遞。

表1 仿生機(jī)器蝠鲼相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of biomimetic robotic manta ray

圖1 游動(dòng)時(shí)胸鰭運(yùn)動(dòng)周期圖Fig.1 Graph of pectoral fin movement cycle

蝠鲼直線游動(dòng)時(shí),胸鰭擺動(dòng)產(chǎn)生行波,行波的傳播方向與游動(dòng)方向相反。此外,在進(jìn)行上浮下潛游動(dòng)時(shí),為了調(diào)節(jié)身體姿態(tài),尾鰭也會(huì)有輕微波動(dòng)。蝠鲼外形呈流線型,有助于在游行時(shí)減小阻力,避免游動(dòng)過程中的能量損耗。

蝠鲼游動(dòng)時(shí)主要依靠胸鰭上下擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力,魚身幾乎不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),因此魚身尺寸及結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際控制單元尺寸進(jìn)行調(diào)整,在滿足空間需求的情況下盡量減重,因此文中采用空心設(shè)計(jì)搭配密封艙存放控制單元進(jìn)行魚身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與此同時(shí),蝠鲼細(xì)長(zhǎng)的魚尾也不產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng),但與魚尾根部連接的尾鰭在游動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生輕微擺動(dòng),用來調(diào)節(jié)游動(dòng)姿態(tài)。因此,在建立蝠鲼物理模型時(shí)主要考慮胸鰭物理模型的建立。

蝠鲼胸鰭的形狀可以通過高斯曲線擬合得到,對(duì)如圖2 所示真實(shí)蝠鲼的胸鰭輪廓進(jìn)行高斯曲線擬合,根據(jù)真實(shí)蝠鲼的胸鰭輪廓和尺寸得到其外形輪廓曲線擬合函數(shù)

式中:f(xl)為胸鰭寬度;xl為胸鰭長(zhǎng)度。

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

構(gòu)建蝠鲼運(yùn)動(dòng)學(xué)模型時(shí)主要考慮胸鰭擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),首先建立與魚身相關(guān)的空間運(yùn)動(dòng)直角坐標(biāo)系。Bianchi 等[14]在設(shè)計(jì)一種用于海底探測(cè)的機(jī)器蝠鲼時(shí),建立如圖3 所示的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。其中x軸沿魚身方向指向魚尾,y軸垂直于魚身方向朝上,z軸按右手螺旋法則得到。通過胸鰭上下擺動(dòng)時(shí)任意點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型坐標(biāo)系中的變化來發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,完成蝠鲼運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的構(gòu)建。

圖3 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of kinematic model

通過生物學(xué)特征分析,將胸鰭運(yùn)動(dòng)時(shí)的形狀視為正弦曲線。因此,在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型時(shí),將胸鰭沿魚身方向即在x軸上的變化規(guī)律用正弦函數(shù)進(jìn)行擬合。胸鰭上下擺動(dòng)的幅度可映射到垂直于魚身方向,即y軸上,z軸反映胸鰭上下擺動(dòng)幅度的縱向變化規(guī)律,擺動(dòng)幅度隨z軸改變,且越靠近胸鰭邊緣,擺動(dòng)幅度越大。胸鰭變形規(guī)律可以描述為

式中:xj、yj和zj為胸鰭上任意一點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo);f為胸鰭擺動(dòng)頻率;λ為行波波長(zhǎng);t為胸鰭擺動(dòng)時(shí)間;為沿z軸方向的振幅擴(kuò)大因子。由此可知,可以通過改變胸鰭擺動(dòng)頻率和行波來改變蝠鲼游動(dòng)狀態(tài)。

1.3 動(dòng)力學(xué)模型

當(dāng)蝠鲼魚身和胸鰭懸浮在水下,并以一定速度游行時(shí),設(shè)蝠鲼沿x、y軸的速度分別為vx、vy。沿z軸涉及偏航運(yùn)動(dòng),其動(dòng)力學(xué)模型不予考慮。由于蝠鲼的游行速度不是很高,因此可忽略沿不同軸方向的速度間的耦合。導(dǎo)出蝠鲼的速度方程為

式中:FX為作用于x方 向的力;FY為作用于y方向的力;mg為蝠鲼質(zhì)量;Iz為沿z軸的有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Mz為沿z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩;d為旋轉(zhuǎn)中心到蝠鲼重心的距離;mx,my,Ir和Ig為水動(dòng)力參數(shù)。周圍流體對(duì)蝠鲼的影響可以用水動(dòng)力參數(shù)來描述,即

式中: ρ為水的密度;D為蝠鲼的寬度;L為蝠鲼的長(zhǎng)度;m11、m22和m66是橢球體的無量綱附加質(zhì)量系數(shù)。

作用在x和y方向上的總力可以通過參考向上的阻力和推力得到,即

式中:Txr、Tyr分別為作用于蝠鲼右鰭x軸和y軸的推力;Txl、Tyl分 別為作用于蝠鲼左鰭x軸和y軸的推力;FD為作用在蝠鲼上的阻力;FL為作用在蝠鲼上的升力。MH、MD分別為施加在蝠鲼身體中心的水動(dòng)力力矩和阻力力矩;其中

式中:Cd為阻力系數(shù);CL為升力系數(shù);V為蝠鲼的速度;S為蝠鲼與水接觸的表面積;γ為蝠鲼速度V和x軸之間的角度。

作用于蝠鲼身體中心的水動(dòng)力力矩MH可表示為

式中:rcr為從蝠鲼身體中心到右鰭的矢量;rcl為從蝠鲼身體中心到左鰭的矢量。

作用于蝠鲼身體中心的阻力力矩MD可表示為

式中:Cm為阻力系數(shù);ωz為蝠鲼沿z軸的角速度。

2 仿生機(jī)器蝠鲼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在蝠鲼的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型建立基礎(chǔ)上,將理論依據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際設(shè)計(jì)方案,完成仿生機(jī)器蝠鲼的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,在蝠鲼生物學(xué)特征基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方面,從蝠鲼胸鰭正弦擺動(dòng)方式入手,選擇合適控制器、驅(qū)動(dòng)器和傳感器設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器蝠鲼胸鰭推進(jìn)功能。通過將理論模型與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合,更好地模仿自然界蝠鲼的運(yùn)動(dòng)方式,符合運(yùn)動(dòng)特性。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生機(jī)器蝠鲼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠完成像真實(shí)蝠鲼一樣的游動(dòng)動(dòng)作。因此,在設(shè)計(jì)機(jī)器蝠鲼結(jié)構(gòu)時(shí),不僅是外形上的模仿,相關(guān)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)還要能夠達(dá)到真實(shí)蝠鲼胸鰭推進(jìn)的效果,能夠完成直線前游、原地轉(zhuǎn)彎和動(dòng)態(tài)沉浮等功能。與此同時(shí),機(jī)器蝠鲼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要考慮控路的防水問題以及結(jié)構(gòu)材料的選擇。

仿生機(jī)器蝠鲼的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從仿生學(xué)角度出發(fā),使用胸鰭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)作為胸鰭骨架對(duì)應(yīng)真實(shí)蝠鲼軟骨;使用柔性軟膠作為胸鰭肌肉對(duì)應(yīng)真實(shí)蝠鲼魚體肌肉;使用變形柔性表皮作為胸鰭表皮對(duì)應(yīng)真實(shí)蝠鲼皮膚。設(shè)計(jì)出的仿生機(jī)器蝠鲼既能保證外形上與真實(shí)蝠鲼相像,又能實(shí)現(xiàn)與真實(shí)蝠鲼一樣的胸鰭推進(jìn)游動(dòng)。

圖4為仿生機(jī)器蝠鲼整體結(jié)構(gòu)圖。圖4(a)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,主要包括魚身結(jié)構(gòu)、胸鰭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和尾鰭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中,魚身機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)還包括重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和防水密封電路倉。圖4(b)是實(shí)物外觀圖,是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上裝上了一對(duì)由軟膠材料制作的柔性胸鰭形成的最終仿生機(jī)器蝠鲼樣機(jī)。

圖4 仿生機(jī)器蝠鲼整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Overall structure of biomimetic robotic manta ray

魚身結(jié)構(gòu)在模仿蝠鲼外形的前提下,采用分段結(jié)構(gòu),以便重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和防水密封電路倉的拆裝。機(jī)器蝠鲼胸鰭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用多關(guān)節(jié)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),使用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),左右胸鰭共需6 個(gè)舵機(jī),通過控制舵機(jī)擺動(dòng)的角度模擬真實(shí)蝠鲼胸鰭的擺動(dòng)。針對(duì)電機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)存在仿生效果差的缺點(diǎn),文中采用多關(guān)節(jié)舵機(jī)設(shè)計(jì),引入柔性胸鰭蒙皮,柔性材料與舵機(jī)之間為非完全貼合設(shè)計(jì),柔性蒙皮外表面呈現(xiàn)連續(xù)曲線過渡,提高了仿生效果,成功模擬了蝠鲼胸鰭的基本運(yùn)動(dòng)特征。機(jī)器蝠鲼的尾鰭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用于調(diào)節(jié)機(jī)器蝠鲼在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)沉浮游動(dòng)過程中的姿態(tài),使用1 個(gè)舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整條仿生機(jī)器蝠鲼長(zhǎng)48 cm,寬70 cm,高8 cm,重約8.5 kg。其相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿生機(jī)器蝠鲼的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5 所示。系統(tǒng)分為水面控制臺(tái)、主控單元和從控單元3 個(gè)部分。水面控制臺(tái)主要由PC 機(jī)或者手機(jī)及其配套的應(yīng)用軟件組成。主控單元選擇樹莓派作為主控制器,外接藍(lán)牙模塊、水質(zhì)傳感器、陀螺儀和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)模塊。從控單元選擇Arduino 作為從控制器,外接全防水舵機(jī),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和避障傳感器。水面控制臺(tái)可以通過無線藍(lán)牙或者虛擬網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)(virtual network console,VNC)遠(yuǎn)程連接與主控單元進(jìn)行通訊,主控單元與從控單元之間通過控制器局部網(wǎng)(controller area network,CAN)總線進(jìn)行通信。

圖5 仿生機(jī)器蝠鲼控制系統(tǒng)Fig.5 Control system of biomimetic robotic manta ray

水面控制臺(tái)可以選擇PC 機(jī)或者手機(jī)。PC 機(jī)使用Windows 操作系統(tǒng)的VNC 遠(yuǎn)程連接功能對(duì)樹莓派進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。手機(jī)使用安卓操作系統(tǒng),安裝藍(lán)牙串口調(diào)試應(yīng)用軟件對(duì)樹莓派進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

主控單元中,主控制器樹莓派通過串口與藍(lán)牙模塊和GPS 模塊進(jìn)行連接,通過集成電路總線(inter-integrated circuit,IIC)接口與 陀螺儀 進(jìn)行連接,通過模擬或數(shù)字(analog or digital,AD)采集口與水質(zhì)傳感器進(jìn)行連接。主控單元使用2S 鋰電池直接供電。

從控單元中,從控制器Arduino 通過脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號(hào)發(fā)生引腳與全防水舵機(jī)進(jìn)行連接,通過輸入/輸出(input/output,I/O)口與避障傳感器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接。使用2S 鋰電池供電,不過不是直接供電,而是通過主控的通用串行總線(universal serial bus,USB)口進(jìn)行供電。全防水舵機(jī)還要通過升壓模塊升壓后進(jìn)行供電。

3 仿生機(jī)器蝠鲼運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

通過水下運(yùn)動(dòng)試驗(yàn),驗(yàn)證仿生機(jī)器蝠鲼在復(fù)雜環(huán)境下的性能。試驗(yàn)內(nèi)容為模擬波浪干擾環(huán)境下的直線前游、原地轉(zhuǎn)彎和動(dòng)態(tài)沉浮試驗(yàn)。并通過仿生機(jī)器蝠鲼本體攜帶的陀螺儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 直線前游試驗(yàn)

有波浪干擾下仿生機(jī)器蝠鲼直線前游性能如圖6 所示?？梢钥闯?在有波浪干擾下直線前游過程中,仿生機(jī)器蝠鲼的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角基本在0°上下波動(dòng)且波動(dòng)很小。表明即使是在有波浪干擾的情況下,其依然能夠?qū)崿F(xiàn)直線前游運(yùn)動(dòng)且性能良好。

圖6 有波浪干擾下直線前游試驗(yàn)陀螺儀數(shù)據(jù)Fig.6 Gyroscope data for straight-line forward test under wave interference

3.2 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

有波浪干擾下仿生機(jī)器蝠鲼原地轉(zhuǎn)彎性能如圖7 所示。可以看出,仿生機(jī)器蝠鲼在進(jìn)行有波浪干擾下原地轉(zhuǎn)彎游行試驗(yàn)過程中,俯仰角和滾轉(zhuǎn)角基本在0°上下波動(dòng)且波動(dòng)很小,偏航角從0°開始逐漸增加,但隨時(shí)間逐漸增加的變化關(guān)系依舊近似線性關(guān)系。表明仿生機(jī)器蝠鲼依然能夠穩(wěn)定完成原地轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

圖7 有波浪干擾下原地轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)陀螺儀數(shù)據(jù)Fig.7 Gyroscope data for in-situ turning test under wave interference

3.3 動(dòng)態(tài)沉浮試驗(yàn)

有波浪干擾下仿生機(jī)器蝠鲼上浮游動(dòng)性能如圖8 所示。可以看出,仿生機(jī)器蝠鲼在有波浪干擾下上浮游動(dòng)中,滾轉(zhuǎn)角和偏航角基本在0°上下波動(dòng)且波動(dòng)較小,俯仰角從0°開始逐漸增加到45°左右,然后再逐漸減小到0°,表明仿生機(jī)器蝠鲼從魚身傾斜到完成上浮游動(dòng)的整個(gè)過程性能良好。

圖8 有波浪干擾下上浮游動(dòng)試驗(yàn)陀螺儀數(shù)據(jù)Fig.8 Gyroscope data for floating test with wave interference

有波浪干擾下仿生機(jī)器蝠鲼下沉游動(dòng)性能如圖9 所示?？梢钥闯?仿生機(jī)器蝠鲼在有波浪干擾下下沉游動(dòng)中,滾轉(zhuǎn)角和偏航角基本在0°上下波動(dòng)且波動(dòng)較小,俯仰角從0°開始逐漸減小到-40°左右,然后再逐漸增加到0°,表明仿生機(jī)器蝠鲼從魚身向下傾斜到完成下沉游動(dòng)的整個(gè)過程性能良好。

圖9 有波浪干擾下下沉游動(dòng)試驗(yàn)陀螺儀數(shù)據(jù)Fig.9 Gyroscope data for sinking test under wave interference

最終,仿生機(jī)器蝠鲼運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示,根據(jù)仿生機(jī)器蝠鲼的直線前游試驗(yàn)、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)沉浮試驗(yàn)數(shù)據(jù),可見即使是在有波浪干擾的情況下,仿生機(jī)器蝠鲼的運(yùn)動(dòng)性能均表現(xiàn)良好,驗(yàn)證仿生機(jī)器蝠鲼的穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性,證明了在水下工程中的應(yīng)用潛力。

圖10 仿生機(jī)器蝠鲼運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)Fig.10 Movement test of biomimetic robotic manta ray

針對(duì)仿生機(jī)器蝠鲼運(yùn)動(dòng)續(xù)航能力進(jìn)行測(cè)試,選取深圳潛行科技的GLADIUS MINI 和約肯機(jī)器人的BW Space Pro 水下機(jī)器人,均將電源更換為與文中所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器蝠鲼相同容量2 200 mAH的2S 鋰電池進(jìn)行續(xù)航測(cè)試試驗(yàn),結(jié)果見表2。文中所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器蝠鲼相較于其他2 款水下機(jī)器人,續(xù)航時(shí)間提升約30%。

表2 續(xù)航測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of endurance test

4 結(jié)束語

文中以蝠鲼為仿生對(duì)象,分析其仿生學(xué)特性。通過對(duì)蝠鲼游動(dòng)特征的分析,建立了蝠鲼的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型,依據(jù)生物學(xué)特性和建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了仿生機(jī)器蝠鲼樣機(jī),并對(duì)所研制的仿生機(jī)器蝠鲼樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)試驗(yàn),驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)控制模型的可行性與正確性。針對(duì)在水下機(jī)器人應(yīng)用中至關(guān)重要的能耗問題,通過指標(biāo)對(duì)比試驗(yàn),表明文中設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器蝠鲼能耗較傳統(tǒng)螺旋槳驅(qū)動(dòng)的水下機(jī)器人降低了30%。下一步將繼續(xù)優(yōu)化仿生機(jī)器蝠鲼外形,使其更符合流線型設(shè)計(jì),從而減小水中阻力,提高續(xù)航能力,降低能耗效率,實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜水下環(huán)境下執(zhí)行長(zhǎng)航時(shí)任務(wù)。