D0I:10.13374/h.issn1001-053x.2012.01.015 第34卷第1期 北京科技大学学报 Vol.34 No.1 2012年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2012 仿生机器鱼巡游性能分析与实验 王飞四王庆林王震宇戴亚平 北京理工大学自动化学院，北京100081 区通信作者，E-mail:wangfei yis(@163.com 摘要以鱼体运动行波方程为动力学基础，参照鱼体尾部运动函数方程设计了“BLR℉-I”系列仿鲹科机器鱼。在该系列机 器鱼中，采用模块化设计结构，可以方便地更改尾部驱动舵机的数量，形成仅有驱动舵机数量不同、其他机制完全相同的单关 节、两关节和三关节仿生机器鱼.对“BLRF-I”系列机器鱼的巡游速度与最小转弯半径进行实验分析.结果表明“BLRF-I” 系列机器鱼尾部驱动舵机数量的增加可以有效地提高巡游速度，最小转弯半径在舵机数量为2时达到最小.进而论证了仿生 机器鱼关节数目对机器鱼游动性能的影响，并提出了仿生机器鱼关节数目和巡游速度的关系方程 关键词仿生机器鱼：关节：巡游速度：转弯 分类号TP242.3 Cruising performance analysis and experiments of biomimetic robotic fish WANG Fei,WANG Qing-Hin,WANG Zhen-yu,DAI Yaping School of Automation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail:wangfei_yjs@163.com ABSTRACT Taking the traveling wave equation of the fish body as a dynamic basis and according to the motion function equation of the fish tail,carangiform robotic fish named "BLRFI"series were designed.Because of modular design in the robotic fish,the num- ber of tail driving motors can be expediently changed and the difference among the single-link,two-link and three-link biomimetic ro- botic fish is only the number of tail driving motors.The cruising speed and minimum turning radius experimental results of the robotic fish show that the cruising speed grows with the number of tail driving motors increasing and the minimum turning radius reaches its minimum value while the number of tail driving motors is two,demonstrating that the number of joints has effect on the cruising per- formance of the robotic fish.The relation equation between the number of joints and the swimming velocity was proposed. KEY WORDS biomimetic robotic fish;joints:cruising speed:turning 近些年来，无人水下航行器(UUVs)与自主水下 计积累了大量重要的经验.随着仿生机器鱼的相 航行器(AUVs)逐渐成为海洋事业的有力开发工具， 关流体力学和控制技术的快速发展，仿生机器鱼逐 科技的进一步发展，对UUVs与AUVs能力的要求 渐成为当今的热门研究领域日.仿生机器鱼的显著 逐渐增强，要求其具备高速运动性和狭小空间转弯 性能特点，不仅满足传统水下航行器的需求，而且使 机动性，并尽可能采用体积小、效率高的执行机 得仿生机器鱼的应用领域更为广泛.在仿生机器鱼 构山.海洋中的鱼类引起了众多学者的注意，它的 技术日趋成熟发展的短短十几年中，它就被应用于 游动速度、推进效率和机动性可以满足水下航行器 海洋与军事领域，如海洋探测、水下操作、泄漏勘测 的现实要求.1950年后，许多科学家开始从数学的 和军事侦察等实际任务5) 角度分析鱼类的运动方式，进一步获得了鱼类游动 游动效率高达90%的参科鱼类是机器鱼仿生 的运动模型回，随后便进入开发研制仿生机器鱼的 的热点)，许多学者对仿鲹科机器鱼的游动性能进 阶段.最初仿生机器鱼的研究主要集中于机器鱼的 行了分析与实验研究.1999年，Barrett等从阻力衰 推进效率和流体动力学分析，这为仿生机器鱼的设 减的角度分析了机器鱼的游动性能图：随后，有关 收稿日期：20110506第 34 卷 第 1 期 2012 年 1 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 1 Jan． 2012 仿生机器鱼巡游性能分析与实验 王 飞 王庆林 王震宇 戴亚平 北京理工大学自动化学院，北京 100081 通信作者，E-mail: wangfei_yjs@ 163． com 摘 要 以鱼体运动行波方程为动力学基础，参照鱼体尾部运动函数方程设计了“BLRF--I”系列仿鲹科机器鱼． 在该系列机 器鱼中，采用模块化设计结构，可以方便地更改尾部驱动舵机的数量，形成仅有驱动舵机数量不同、其他机制完全相同的单关 节、两关节和三关节仿生机器鱼． 对“BLRF--I”系列机器鱼的巡游速度与最小转弯半径进行实验分析． 结果表明，“BLRF--I” 系列机器鱼尾部驱动舵机数量的增加可以有效地提高巡游速度，最小转弯半径在舵机数量为 2 时达到最小． 进而论证了仿生 机器鱼关节数目对机器鱼游动性能的影响，并提出了仿生机器鱼关节数目和巡游速度的关系方程． 关键词 仿生机器鱼; 关节; 巡游速度; 转弯 分类号 TP242. 3 Cruising performance analysis and experiments of biomimetic robotic fish WANG Fei ，WANG Qing-lin，WANG Zhen-yu，DAI Ya-ping School of Automation，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China Corresponding author，E-mail: wangfei_yjs@ 163． com ABSTRACT Taking the traveling wave equation of the fish body as a dynamic basis and according to the motion function equation of the fish tail，carangiform robotic fish named“BLRF-I”series were designed． Because of modular design in the robotic fish，the num￾ber of tail driving motors can be expediently changed and the difference among the single-link，two-link and three-link biomimetic ro￾botic fish is only the number of tail driving motors． The cruising speed and minimum turning radius experimental results of the robotic fish show that the cruising speed grows with the number of tail driving motors increasing and the minimum turning radius reaches its minimum value while the number of tail driving motors is two，demonstrating that the number of joints has effect on the cruising per￾formance of the robotic fish． The relation equation between the number of joints and the swimming velocity was proposed． KEY WORDS biomimetic robotic fish; joints; cruising speed; turning 收稿日期: 2011--05--06 近些年来，无人水下航行器( UUVs) 与自主水下 航行器( AUVs) 逐渐成为海洋事业的有力开发工具， 科技的进一步发展，对 UUVs 与 AUVs 能力的要求 逐渐增强，要求其具备高速运动性和狭小空间转弯 机动 性，并尽可能采用体积小、效率高的执行机 构［1］． 海洋中的鱼类引起了众多学者的注意，它的 游动速度、推进效率和机动性可以满足水下航行器 的现实要求． 1950 年后，许多科学家开始从数学的 角度分析鱼类的运动方式，进一步获得了鱼类游动 的运动模型［2］，随后便进入开发研制仿生机器鱼的 阶段． 最初仿生机器鱼的研究主要集中于机器鱼的 推进效率和流体动力学分析，这为仿生机器鱼的设 计积累了大量重要的经验［3］． 随着仿生机器鱼的相 关流体力学和控制技术的快速发展，仿生机器鱼逐 渐成为当今的热门研究领域［4］． 仿生机器鱼的显著 性能特点，不仅满足传统水下航行器的需求，而且使 得仿生机器鱼的应用领域更为广泛． 在仿生机器鱼 技术日趋成熟发展的短短十几年中，它就被应用于 海洋与军事领域，如海洋探测、水下操作、泄漏勘测 和军事侦察等实际任务［5--6］． 游动效率高达 90% 的鲹科鱼类是机器鱼仿生 的热点［7］，许多学者对仿鲹科机器鱼的游动性能进 行了分析与实验研究． 1999 年，Barrett 等从阻力衰 减的角度分析了机器鱼的游动性能［8］; 随后，有关 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.01.015