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1、仿生機器魚 第 八 組 ： 生 技 1 3 2 沈 彤 彤 課 題 背 景仿 生 學 基 礎理 論 構 架實 際 成 果未 來 藍 圖 仿 生 機 器 魚 的 研 究 意 義仿 生 機 器 魚 的 分 類仿 生 機 器 魚 的 發(fā) 展 趨 勢 與 展 望（ 1） 驅 動 裝 置 的 優(yōu) 化（ 2） 運 動 機 理 的 優(yōu) 化（ 3） 個 體 智 能 化 發(fā) 展（ 4） 群 體 仿 生 機 器 魚 的 發(fā) 展 魚 類 游 動 的 物 理 原 理 魚 類 游 動 的 運 動 學 模 型 隨 著 人 類 的 發(fā) 展 ， 對 資 源 的 需 求 不 斷 增 加 ， 陸 地 上的 資 源 日 益 緊 缺
2、 ， 于 是 人 類 把 目 光 投 向 海 洋 。 20世紀 中 期 以 來 ， 隨 著 科 技 的 發(fā) 展 ， 機 器 人 技 術 得 以 發(fā)展 并 飛 速 進 步 。 世 界 上 許 多 國 家 都 非 常 重 視 機 器 人技 術 的 研 究 ， 講 機 器 人 作 為 一 個 重 點 研 究 項 目 并 大力 發(fā) 展 。 但 當 前 水 下 機 器 人 多 采 用 傳 統(tǒng) 的 螺 旋 槳 作為 推 進 器 ， 其 體 積 大 、 質 量 重 、 能 耗 高 、 綜 合 效 率低 、 可 靠 性 差 、 瞬 間 響 應 有 滯 后 的 現(xiàn) 象 、 運 動 靈 活性 能 差 ， 并 且
3、伴 有 較 大 的 噪 聲 和 尾 渦 。 螺 旋 槳 效 率低 也 是 水 下 機 器 人 能 源 瓶 頸 的 主 要 原 因 之 一 。 螺 旋槳 推 進 器 的 這 些 缺 點 不 利 于 具 有 大 范 圍 轉 與 能 力 和高 機 動 性 的 水 下 機 器 人 。 為 了 克 服 螺 旋 槳 推 進 器 的這 些 缺 陷 ， 適 應 未 來 水 下 機 器 人 技 術 發(fā) 揮 在 那 的 要求 ， 人 們 在 開 發(fā) 新 能 源 的 同 時 ， 也 在 積 極 尋 找 性 能更 加 優(yōu) 良 的 新 型 推 進 方 式 。 魚 類 屬 于 脊 椎 動 物 種 群 ， 其 身 體 有
4、很 多 跟 脊椎 骨 相 互 連 接 而 成 ， 采 用 尾 鰭 推 進 的 魚 類 在游 動 時 主 要 通 過 脊 椎 曲 線 的 波 動 來 產(chǎn) 生 推 進力 。 因 此 ， 大 多 數(shù) 魚 類 特 別 是 鯵 科 魚 類 的 推動 機 構 可 分 為 兩 部 分 ： 柔 韌 性 和 擺 動 的 尾 鰭 。其 中 柔 性 身 體 可 看 作 是 由 一 系 列 的 鉸 鏈 連 接而 成 的 擺 動 連 尾 鰭 可 視 為 擺 動 的 水 翼 。 擺 動 部 分 長 度 占 身 體 總 長 的 比 例 （ R1）擺 動 部 位 的 簡 化 關 節(jié) 數(shù) N擺 動 部 分 各 個 關 節(jié) 之
5、間 的 長 度 比 l1:l2:l3 ： lN尾 鰭 形 狀決 定 魚 體 波 的 特 征 參 數(shù) ：（ 1） 魚 體 波 曲 線 方 程 ybody(x,t)=f(x,t)（ 2） 身 體 各 個 部 分 的 關 節(jié) 擺 動 幅 度 ybody你（ 3） 尾 鰭 的 最 大 擊 水 角 魚 類 運 動 學 模 型 的 簡 化魚 體 波 曲 線 的 方 程 的 改 進機 器 魚 的 結 構 參 數(shù) 優(yōu) 化曲 線 方 程 ： ybody(x,t)=(c1 x+c2 x2 )sin(kx+wt)ybody： 魚 體 的 橫 向 位 移 （ 背 腹 軸 ） ；x:魚 體 的 軸 向 位 移 （ 頭
6、尾 軸 ） ；k:波 長 倍 數(shù) （ k=2 / , 是 魚 體 波 的 波 長 ） ；c1 ： 魚 體 波 波 幅 包 絡 線 的 一 次 項 系 數(shù) ；c2 ： 魚 體 波 波 幅 包 絡 線 的 二 次 項 系 數(shù) ；w:魚 體 書 波 頻 率 頻 率 （ w+2 f=2 /T) 迭 代 逼 近 桿 長 系 數(shù) m 計 算 關 節(jié) 坐 標 對 （ xi,j,yi,j） 計 算 桿 （ lj） 與 魚 體 主 軸 （ x軸 ） 的 夾 角 i， j 計 算 二 維 關 節(jié) 扭 擺 系 數(shù) 組 OscdataMNybody(x,t)=(c1 x+c2 x2 )sin(kx+2 i/M) yb
7、ody(x,t)=(c1 x+c2 x2 )sin(k1 +k2 x)x+wt minf(X)=Si 機 器 魚 總 體 結 構 主 要 分 為 魚 頭 、 魚 身 、 魚 尾 三 個部 分 。 魚 頭 部 分 由 控 制 電 路 板 、 電 池 、 通 訊 模 塊 、 電 源開 關 和 胸 鰭 構 成 ， 魚 頭 上 預 留 了 吹 氣 孔 、 充 電 頭和 天 線 魚 身 部 分 由 三 個 擺 動 關 節(jié) 串 聯(lián) 構 成 ， 每 個 關 節(jié) 均由 一 個 直 流 伺 服 電 機 驅 動 ， 模 擬 魚 體 波 曲 線 的 運動 魚 尾 為 新 月 型 尾 鰭 控 制 系 統(tǒng) ： 控 制
8、芯 片 采 用 貼 片 封 裝 的 8位AVR單 片 機 ATmege128， 其 內 含 128KB Flash、 4KB EEPROM， 產(chǎn) 生 6路 PWM信 號 。 動 力 系 統(tǒng) ： 采 用 Futaba S3003 舵 機 ， 扭矩 達 4.1Kg/cm， 提 供 可 靠 的 動 力 支 持 。 通 訊 系 統(tǒng) ： 通 訊 模 塊 采 用 雙 工 無 線 通 訊 模塊 , 可 以 通 過 通 訊 檢 測 來 確 保 信 號 收 發(fā) 的正 確 性 ， 還 可 以 向 上 位 機 反 饋 機 器 魚 的 內部 狀 態(tài) 信 息 ， 提 高 機 器 魚 控 制 的 可 靠 性 。 電 源 系 統(tǒng) ： 可 充 電 鎳 氫 電 池 。 Thanks
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