水下仿生机器鱼的研究进展Ⅲ--水动力学实验研究
第24卷第4期2002年7月
文章编号:1002-0446(2002)04-0304-05
机器人
ROBOT
Vol.24,No.4
July,2002
水下仿生机器鱼的研究进展I--水动力学实验研究II
梁建宏
王田苗
魏洪兴
北京
*
陶伟
北京航空航天大学机器人研究所(
100083)
摘
要:作为仿生推进技术研究的一个主要环节,仿生机器鱼平台的实验测试研究具有重要的意义.本文建立
了一套比较系统完整的机器鱼水动力学定性观察,定量测量的实验环境,并进行了速度功率参数影响测定实验、鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验.
关键词:机器鱼;功率测试;流动显示;阻力测试中图分类号:T24P
文献标识码:B
UNDERWATERROBOFISHRESEARCHPROGRESS
-HYIIIDRODYNAMICSEXPERIMENTSOFROBOFISH
---LIANGJianhongWANGTianmiaoWEIHongxingTAOWei
(,Un,B00083)RoboticInstituteiversityofAeronauticsandAstronauticseijing1
:Asama,tAbstractinpartoftheBionicpropulsiontechnologyresearchheexperimentalmeasurementsresearch.Tofrobofishisofgreatimportancehispaperintroducedawholesetofexperimentalinstrumentsanddevicesfor.Noqualitativeobservationandquantitativemeasurementofhydrodynamicsphenomenaoftherobofishwwehave,adeanexperimenttoseehowtheapparatusaffecttheswimmingvelocityandpowernotherexperimenttoma
.Fdisplaythevertexcontrolaroundtherobofishinallywehavealsomeasuredthedragduringtherobofish.swimming
:r,p,f,dKeywordsobofishowermeasurementslowvisualizationragmeasurements
1引言()Introduction
对水生动物的流体力学研究始于二十世纪六十近年来随着仿生学的发展,人们对海洋生物高年代.
超的推进能力有了新的认识,并试图通过先进的实验设备和手段,解释鱼类独具的高效、高机动性的推进机理.率先对体形瘦长以鳗鲡模1960年Lighthill
得到了定常线性式游动的游鱼提出了细长体模型,
1]
化解[,1961年加州理工大学的T.Y.W提出了二
加入了前缘吸力及尾缘尾迹的作用.维波动模型,
3]
维翼剖面)作的摆动的实验[表明在一定的频率、振,
幅等参数组合下,推进效率可以接近9他们还用0%;
物体在摆动水翼前产生尾涡以模拟鱼身的尾迹,表进一步提高推力和明了摆动尾鳍可利用这些旋涡,
推进效率,使得人们对鱼类的高效推进机理的认识提高了一大步.
也有了一些研究.999年用DWolfgang等人1PIV方法的流动显示方法,显示了产生快速机动时伴随有
2]体涡与尾鳍的相互作用[.
对于急剧激动,如爆发启动、快速转弯的鱼类,
对于以鱼参科模型和月牙尾推进的情形,波状摆动主要集中于后体,而后体段逐渐缩小形成尾柄,然后连接展长较大的尾鳍,波幅剧烈增大.基于线化理论的解体方法已不能处理,研究主要用实验方法.典型的工作是MI二T的Traintafyllow等有关水翼(
等对摆动鱼体的减阻进1996年MIT的Barrett行了研究,他们对自行研制的一条实验用的6自由
4,5]
度仿生机器鱼在水槽中进行了拖曳实验[测试了.阻力降低的效果对于五个参数(即相位角,波长,冲
中国科学院机器人学开放研究实验室基金资助项目.*基金项目:
收稿日期:2001-09-04
水动力学实验研究
击角,尾迹宽度,数)的变化所受的影响,证Strouhal一个是身体的波动速明阻力降低对两个因素敏感,
度要超过运动速度U;另一个是S数只能在trouhal
运动.在一定条件下,阻力一定范围内(0.12-0.35)最大可以降低约7他们同时运用数字仿真对流0%.
场进行了仿真.这次实验得到的许多有用结果对于鱼体游动机理的实验和理论研究有着非常重要的意义.
为了研制高速、高效和高机动的微小机器鱼,还有许多工作要做.例如,上述有关水翼高效推进的工作中,考虑的是二维剖面,其可代表大展弦比尾鳍,却未计及"月牙形"的作用;再如,快速机动问题的研究中,虽然揭示了快速转弯和漩涡产生有关联,但解释都是定性的.此外运动鱼的复杂三维非定常流动的实验室定量实验观测仍存在不少技术难点,仍被认为是一种很大挑战性的问题.
作为仿生推进机理研究的一个主要环节,仿生机器鱼的实验测试研究具有重要的意义,目前国内尚未开展这方面的工作.本文针对最近研制的小型机器鱼实验平台,建立了一套比较系统完整的机器
鱼水动力学定性观察,定量测量的实验环境,并进行鱼体流动显示实验和鱼了速度功率参数测定实验、
体运动阻力测定实验.速度功率参数测定实验通过如相对波长、频测量仿生机器鱼在不同的游动参数,
率、摆动幅度情况下的游动速度和消耗的功率,评价上述方程参数对于游动性能的影响;鱼体流动显示实验则通过观察仿生机器鱼在不同摆动频率和振幅状态下的动态流场,观察水流的漩涡分离,获取鱼的摆动推进深层次机理;阻力测定实验通过测定鱼体静态时在不同水流速度下的阻力,以评估鱼体游动在不同参数的影响下游动的效率.
2速度功率测试实验(Powerandvelocity
-)measurements
2.1实验系统构成
实验在北京航空航天大学水洞实验室进行.该水洞为低速水洞,速度范围0秒,工作截面.1～1米/
是循环封闭式水洞.整个实验系统由机器1×1.2米,
鱼实验平台、控制系统和数据采集系统组成.如图1
所示
.
月
2.2.1同频率变相对波长
当振鱼体5自由度稳定运行的各摆动方程中,
幅和频率保持不变时,速度和功率数值随着身体的其中速度数值还近似与相相对波长的增加而加大,
对波长成正比例增长.图2和图3是相对波长为0.
此种频率下.462赫兹时(25-1的各方程中频率为1鱼体运行非常稳定,不会出现侧向的晃动)的速度和功率随相对波长改变的曲线
.
第24卷第4期梁建宏等:水下仿生机器鱼的研究进展I-
水动力学实验研究II
307
3.1实验构成
实验装置由八线张线系统、摄像机和CCD相机、软件处理平台组成.其中摄像机可用于动态记录流场,同时作为摄像采集处理平台的摄像头.
实验机器鱼由八根张线固定在水洞中,实验段长度大约1实验宽度0实验深度1.8米,.9米,.2米.鱼体在水下大约0通过内部张线支撑装置.4米.将鱼体头部固定在一个靠自重稳定的钢架上.中段是一个上部带孔的密封腔,它主要起连接作用,连接头部和后部摆动部分,上部的孔用于引出后部的天线和电源线.鱼体在水中基本可以保持浮力和重力的平衡,调整张线,可以使鱼的轴线和来流方向平行.鱼体后部在水中自由摆动.
3.2实验现象记录
实验得到大量漩涡形成和演变的连续图像(图
从宏观上看,尾鳍拍动产生了反卡门漩涡序列,7),
漩涡是在尾鳍前缘卷起生成的,并在每次反向拍动时脱落,一个周期形成一对旋向相反的漩涡.这些现象与国外研究的结果类似.进一步的分析目前还在进行中.
图6鱼体由八根张线固定在刚架上
.6RFigobofishfixedbyeightlineinsteelframe
图7尾部漩涡的脱落过程.7FFigallingoffprocessoftailvortex
3.3实验结果分析
尾鳍后部形成了反卡门漩涡阵列,一对方向相反的漩涡与推力产生有着重要的关系.在实验中,我们特别注意到了前缘漩涡.以往的研究多是建立在分析二维脱落涡街的基础上,认为推动鱼体前进的主要是漩涡的合成或耦合.而我们在这次观察中发现鱼尾鳍在摆动时主要是前缘的涡在起作用,在尾鳍的拍动中,前缘卷起很强的锥形涡,并稳定的附着在尾鳍表面,从而可能提供了很高的升力.涡的三维
特性十分明显,需要进一步的实验手段和分析方法才能进行精确观测和分析.
4阻力测定实验()Resistancemeasurements
三分力天平是个磁感应天平,通过改变两个磁极之间的间隙,从而改变磁场来测定力.感应天平每个方向由一个活动板通过弹簧片和支架相连.支架固定不动.当活动板受力时,活动板前端的磁极位置就会
我们使用了水洞的实验装置--三分力天平.
月
改变,而改变的位移和受力的规律与后部的弹簧钢片的挠度有关.基本上是线性关系.位移的改变可以通过与活动片固连的磁极的改变来测定.通过一个平衡电桥将输出电压传到计算机的采集卡,采集入计算机,然后通过一套计算软件,计算出某一特定电压对应的阻力.由于磁极位移改变造成前端有一个通过一个夹板把鱼体的天线固定在天平的V形槽,活动板上.由于鱼体的天线和鱼体是固连的,鱼体天线的位移也就是鱼体的位移,同时鱼体所受的阻力也就是三分力天平测定的阻力.
我们把三分力天平固定在水洞上方,前端的活动板与鱼体上部的天线相连.然后调节水流速度,测定在不同水流速度下鱼体的阻力.
测得的鱼体所受的阻力与水流速度关系如图9
所示.可以看出,理论速度与实测速度非常接近,由此可证明阻力测试系统的可靠性.
图8阻力测量系统实物图.8RFigesistancetestingsyste
m