外文翻譯-- 魚類機器人的設(shè)計和動態(tài)分析 中文版

1、<p>　　魚類機器人的設(shè)計和動態(tài)分析</p><p>　　摘要本文介紹設(shè)計與分析“魚樣水下機器人” 。 為了發(fā)展游泳機器人像一條真正的魚類，廣泛的動力分析引用在研究魚類的生物學(xué)特別是其機動性和推進作用。模擬游泳是為了實現(xiàn)carangiform的 游泳。這是快速模擬游泳用它的尾巴和腳來進行推進。為了產(chǎn)生旋渦的配置，提供高效率的旋渦推動，已經(jīng)應(yīng)用尾鰭來偏航和沖擊。為了潛水，保持身體平衡，使用一對胸鰭來運

2、動。我們已經(jīng)推導(dǎo)出PoTuna運動方程的兩種方法。 在第一種方法中，我們使用水下航行器的運動方程關(guān)于勢流理論的力量推進。在第二種方法中，我們使用UVM （水下機器人，機械手）的運動方程 。然后，我們比較這些結(jié)果。 </p><p><b>　?、?引言</b></p><p>　　在許多方面魚是非常令人印象深刻的運動員，游泳潛水機器人可以像魚一樣比潛艇更優(yōu)于使用推動。

3、例如，魚類機器人可能更安靜，更靈活，可能更節(jié)能。</p><p>　　大約70年前，James Gray先生提出了所謂Gray的悖論，刺激大量的研究和爭議[1]，[2]，[3] 。悖論表明，如果一個活躍的游泳海豚的阻力等于一個剛性模型拖著同樣的速度，海豚肌肉必須能夠產(chǎn)生比典型的哺乳動物肌肉[1]至少多7倍的能耗。在最近多年來， Triantafyllou et a1.[3], [4], [5]提出了一種Gray悖

4、論的解釋。他提出，魚能夠利用能源，在一個激流存在的漩渦中，通過貯藏渦和魚的振蕩游泳運動導(dǎo)致流動relaminization這有助于減少身體阻力[13]。各種各樣的推進計劃已經(jīng)進行了調(diào)查，大多數(shù)魚類的調(diào)查已經(jīng)側(cè)重于carangiform游泳。在carangiform游泳中，當(dāng)推進機構(gòu)運動主要局限于身體后部三分之一的尾巴[ 12 ] 時，魚身體前部三分之二就用一個剛性方式移動。Kelly 校準(zhǔn)[16],[17]在標(biāo)準(zhǔn)控制仿射形式的方法和幾

5、何框架上通過降低拉格朗日導(dǎo)出了一個下沉探測片的運動方程。截至目前，許多實驗和動態(tài)的分析被濃縮在魚類機器人[10] ， [ 1 1 ] ， [ 15] 正向和回轉(zhuǎn)運動上。在本文中，我們考慮設(shè)計一個carangifor</p><p>　　II.設(shè)備硬件我們嘗試建立一個高速，潛水魚機器人。為了高速，我們模仿金槍魚的carangiform模式和弦月形的尾巴。金槍魚的身體非常堅硬和精簡能適用于高速。為了潛水我們使用一對

6、升力的胸鰭，為了轉(zhuǎn)折點我們使用腹鰭。我們嘗試發(fā)展股型魚類機器人，幾個部分作為動力裝置和一個控制單元。那個魚類機器人名叫PoTuna大約有1米的體長和25公斤的體重。圖1和圖2是一個PoTuna 的圖片和示意圖 。</p><p>　　它包括一個尾部裝置，一套電池組，一個R/C組合，一個胸鰭股。為了兩個鏈接尾部裝置有一個遙控汽車和防爆裝置，這是一個欠系統(tǒng)電機。電池組是使用7.2V ， 3300mAh鎳氫。R/C組合

7、是包含一個射頻接收器和一個8051控制器。為了轉(zhuǎn)折點和上下動議胸鰭單位裝有兩個舵機和機芯。</p><p>　　魚類機器人的身體形態(tài)影響大力推進性能和游泳速度。當(dāng)然，在游泳時希望有小的阻力。然而，只有流體力學(xué)因素我們不能決定體形 。</p><p>　　圖1.機器魚Potuna的圖片</p><p>　　圖2.機器魚Potuna的結(jié)構(gòu)</p><

8、p>　　因為，它必須是重力和浮力立場的平衡中心，每個機械部件的位置受限制。身體的設(shè)計點如下。身體形態(tài)相匹配的機械部件的位置，要求均衡設(shè)計總量（位移）和總重量,</p><p>　　要求平衡形狀的重心和浮力點，要求一些阻力，要有一些水流量的干擾圍繞著尾鰭，一個簡單的形狀，便于更好地建設(shè)。</p><p><b>　　III.系統(tǒng)建模</b></p&

9、gt;<p>　　在本節(jié)中，我們將得出PoTuna運動方程兩種使用方法。A. PoTuna建模使用勢流理論</p><p>　　在第一種方法中，我們認(rèn)為，通過尾振蕩PoTuna的身體堅硬和強硬，它外力的一種作為阻力，推力，等等。我們假設(shè)流體是非粘性的，不可壓縮，不旋轉(zhuǎn)和理想流體。根據(jù)這些水動力和扭矩作用于探測片被確定使用勢流理論[6] [7] 。為了運動規(guī)劃和控制器設(shè)計，存在和自由的影響和中央渦被

10、忽略并被視為干擾。1）魚體的動力學(xué)方程：剛體的運動在三維空間可以表示為[14] ：</p><p>　　是慣性矩陣和魚體的科式/心矩陣，分別,η是魚類機器人的慣性框架，q是魚類機器人的速度 對身體固定框架（ Bth幀）和τ給出了：</p><p>　　表示回復(fù)力和力矩，由于重量和浮力，表示強度和力矩，由于不同類型的阻尼， 表示增加質(zhì)量強度和力矩，由于周邊流體的慣性，表示Froude-

11、Kriloff的強度，由于移位流體的慣性矩陣和表示通用外力被認(rèn)為強度通過尾振蕩。最后的運動方程給出：</p><p>　　其中J是Bth框架的轉(zhuǎn)換模型，注意慣性框架，在魚類機器人和液體之間是相對加速度，其他強度和力矩給出方式：</p><p>　　是迎角。2 ）外力的尾振蕩：考慮一橢圓Joukowski的探測片側(cè)面圖被描繪點位置在復(fù)平面與X∈R在方向弦長，和Y ∈R在正常的方向。S是單

12、位圓的圖像根據(jù)Joukowski映射由：</p><p>　　α和ζc確定探測片的形狀。復(fù)雜電位繞流Joukowski探測片是由：</p><p>　　這里，,和U （ t ）,V （t）是重新絕對速度，在平行和垂直方向金屬箔的共鳴，和Ω（ t ）是鋁箔的角速度。γc是中央旋渦的力量，和γk和F(ζk(t)) k = 1 ,…,nk是強度和nk自由旋渦的定位件。一旦復(fù)勢已經(jīng)確定，我們可以

13、導(dǎo)出每強度單位跨度沿X和Y沿著Z和Y使用米爾恩-湯姆遜的方法[6]。</p><p><b>　　附加質(zhì)量系數(shù)</b></p><p><b>　　目前是：</b></p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　和是線性速度在面上，Ω是角速度，我們產(chǎn)取我們不

14、認(rèn)為自由和中央旋渦，γc,γk和Γ等于0 。然后，強度和扭矩每單位跨度質(zhì)量通過尾振蕩：</p><p><b>　　然后</b></p><p><b>　　其中p是水的密度。</b></p><p>　　建模使用Kana法在這個分段中，我們將為PoTuna制定一個動態(tài)模型使用凱恩動力學(xué)方程。我們將選擇N=8廣義系統(tǒng)的速

15、度：</p><p>　　在慣性框架的Bth坐標(biāo)系中是魚類機器人的線性速度， 在慣性框架的Bth坐標(biāo)系中是魚類機器人的角速度，和是連接腳的速度和尾巴，圖3顯示2個魚類機器人的構(gòu)件尺寸配合使用Kana方法[9]。</p><p>　　圖3.機器魚Potuna的2個三位坐標(biāo)系使用Kane的方法</p><p>　　1 ）運動學(xué)分析：該運動的任務(wù)是更聽話和有系統(tǒng)的，如果我

16、們利用Denavit-Hartenberg(D-H)協(xié)調(diào)框架。圖1顯示的坐標(biāo)已經(jīng)選定為我們的系統(tǒng)。C.M.的載體對魚體的C.M.表示B坐標(biāo)系，給出方式：</p><p>　　表示在右邊兩個均勻載體的物理坐標(biāo)疊加，是齊次變換從坐標(biāo)系P到坐標(biāo)系B,和是連線P的位置矢量表示P圖像。連線T的位置矢量關(guān)于C.M.車輛同樣的考慮：</p><p>　　魚體的角速度對于慣性E圖像，表示在Bth坐標(biāo)系中：

17、隨機編碼是指在一個單位載體，符號 指B的角速度，在E圖像中表示Bth坐標(biāo)系。腳的角速度和尾巴對慣性框架在Bth坐標(biāo)系中，給出了： </p><p>　　表示的旋轉(zhuǎn)子，是腳的角速度和是尾巴的角速度。C.M.的線性速度的慣性表達(dá)了Bth坐標(biāo)系統(tǒng)是由：</p><p>　　一個腳或尾巴關(guān)于慣性框架的C.M.的線性速度，表示在Bth坐標(biāo)系，給出了：</p><p>

18、;　　該角加速度關(guān)于車輛的C.M. 帶有慣性框架，表示在Bth坐標(biāo)系是由：</p><p>　　腳或尾巴的角加速度對慣性框架表示在Bth坐標(biāo)系中被發(fā)現(xiàn)如下：</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　車輛C.M.的線性加速對慣性框架，表示在Bth坐標(biāo)系是由：</p><p>　　腳或尾巴的C.M.

19、線性加速角對慣性框架，表示在Bth坐標(biāo)系被發(fā)現(xiàn)如下：</p><p><b>　　i表示腳或尾巴。</b></p><p>　　2 ）慣性力：在系統(tǒng)要求的慣性力下，在系統(tǒng)中我們制定表達(dá)式的慣性力和每一部分的扭矩。身體，腳和尾巴的慣性力，給出如下：</p><p>　　表示魚體，腳和尾巴的質(zhì)量。身體，腳和尾巴的慣性扭矩給出如下：</p>

20、;<p>　　在Bth坐標(biāo)系中表示魚體，腳或尾巴的中心慣性力。廣義慣性力現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，以獲取如下：</p><p>　　3 ）重力：在系統(tǒng)中重力可以被視為物體的每一部分的中心所受到的力。該力由于重力作用于魚體，腳和尾巴被表示如下：</p><p>　　是重力矢量在Bth坐標(biāo)系中。廣義力由于重力被表示如下：</p><p>　　4 ）水動力：在水下環(huán)境下流

21、體動力導(dǎo)致剛體運動非常復(fù)雜和高度非線性。該力可能被開發(fā)利用不可壓縮流體使用Navior -Stokes方程，而且很少導(dǎo)致封閉形式的解決方案。附加質(zhì)量，浮力，F(xiàn)roude-Kriloff和阻力的影響，往往視為每一個力的疊加。附加質(zhì)量力的結(jié)果，流體的相互作用，在水下鏈接的附近是加速通過流體壓力分布。這力需要加快周圍的流體產(chǎn)生一個有效的慣性，可模仿6 × 6正定附加質(zhì)量慣性矩陣，Ia。總的來說， 附加質(zhì)量矩陣的36個要素,Ia,

22、為一個在真正的流體中的機構(gòu)清晰和確定可通過實驗測試技術(shù)。它已經(jīng)顯示出了McMillan et al. [8] ，可被推導(dǎo)出Fossen [14] ，水下機構(gòu)的慣性力和扭矩導(dǎo)致附加質(zhì)量的現(xiàn)象有以下形式：</p><p>　　和是斜對稱矩陣，I是6 × 6附加質(zhì)量矩陣,在身體，腳或尾巴中表示Bth坐標(biāo)系。這兩個方程得到結(jié)果</p><p>　　我們可以從流體的相對加速度和速度推導(dǎo)到下

23、列關(guān)系：</p><p><b>　　底端</b></p><p>　　是流體的速度表示在Bth坐標(biāo)系中，在Bth坐標(biāo)系中是流體的加速度。慣性力和力矩的最后形式造成的附加質(zhì)量如下：</p><p>　　在整個系統(tǒng)中廣義慣性力的增加,然后考慮如下：</p><p>　　這是一個籠統(tǒng)的提法，水動力和扭矩結(jié)合到動態(tài)模型。否

24、任何假定有必要就附加質(zhì)量矩陣的系數(shù)進行推導(dǎo)。</p><p>　　浮力于密度成正比，身體，腳和尾巴和行為通過身體，腳和尾巴浮力的中心。對于均勻?qū)ΨQ形狀，中心的浮力和質(zhì)心是相同的。對于模型，我們認(rèn)為，浮力通過身體，腳或尾巴的中心機構(gòu)，給出了以下內(nèi)容：</p><p>　　其中， p是的密度，是液體的體積，是重力矢量在Bth坐標(biāo)系中。廣義力由于浮力給出以下內(nèi)容：</p><

25、p>　　該Froude-Kriloff力類似浮力于流體流離失所成正比，但結(jié)果加速流體本身。該力由于Froude-Kriloff也通過中心浮力給出了：</p><p>　　廣義力由于Froude-Kriloff得出以下內(nèi)容：</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　是身體，腳或尾的參考面積，是矩形的寬度，是微元的

26、長度。是的阻力系數(shù)，和和是機構(gòu)的相對速度。那個阻力系數(shù)是部分幾何形狀的一個功能和流體氣流角。它可以代表：</p><p>　　是形狀參數(shù)，和之間的夾角是流體的相對速度和部分縱軸。廣義力由于阻力和扭矩得出如下：</p><p>　　5）動態(tài)模型：廣義慣性力和廣義力通過魚的身體，腳，和尾部，運動方程被發(fā)現(xiàn)取得下列動態(tài)模型：</p><p>　　Eq.33可能不是最方便

27、的方程。然后，我們提出以下形式：</p><p>　　是聯(lián)合可變矢量，是慣性任期的矩陣，是矩陣任期和是重力效應(yīng)的矢量</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　魚類機器人PoTuna的三維動態(tài)方程與腳和尾巴已經(jīng)開發(fā)利用潛力流理論與Kane方程。在第一種方法中，我們使用剛體的非線性動力學(xué)方程通過尾振蕩獲得勢流法。我們認(rèn)為，魚體

28、有許多其他力，例如升降機，浮力，重力和尾巴振蕩的外力。外力得到了勢流理論。這些方程有一些缺點。由于限制控制投入，我們必須確保約束。凱恩提供了的辦法，把外力進入模式。在這個模型中外部動力包括：浮力，阻尼，附加質(zhì)量，F(xiàn)roude-Kriloff 。其他外部力量包括重力和每一部分的力矩。這可能有利于在未來的應(yīng)用進行腳和尾巴協(xié)調(diào)控制，以便魚的身體達(dá)到規(guī)定的樣式。</p><p>　　圖4.x-y坐標(biāo)位置圖利用勢流理論和K

29、ane的方法</p><p>　　圖4顯示的結(jié)果使用兩個方法在兩個尺寸。紅線是流動法的結(jié)果，藍(lán)線是凱恩的方法的結(jié)果。我們可以看到幾乎類似的路線。我們可以考慮魚類機器人的E.0.M跟剛體的E.O.M.是相同的除了使用尾巴的力矩作為推進力矩。、在未來，我們通過實驗嘗試比較這些仿真動力學(xué)方程的結(jié)果和擴充三維仿真。</p><p><b>　　參考文獻</b></p&g

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