仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器研究進(jìn)展與分析

中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室 王睿，王碩，魏清平

1 引言

浩瀚的海洋中蘊含有豐富的生物資源、礦產(chǎn)資源和能源，人類在水下環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)、科研等活動越來越頻繁，水下任務(wù)的要求也不斷提高，人工操作的方式從成本、安全性、效率上逐漸不能滿足復(fù)雜水下任務(wù)的要求。近年來，一些智能的自主水下航行器被廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)、海洋研究、水下環(huán)境保護等領(lǐng)域。

目前多數(shù)水下航行器推進(jìn)設(shè)計原理為：由螺旋槳產(chǎn)生推力，結(jié)合可操控的舵面產(chǎn)生機動控制力。這種機構(gòu)設(shè)計對于推進(jìn)器以巡航速度行駛于空曠平靜海域的應(yīng)用領(lǐng)域是經(jīng)濟有效的。但出于其機動控制力依賴于流體在操控舵面上的流動產(chǎn)生的升力，在低速下難以實現(xiàn)機動。此外這類推進(jìn)器會在尾跡中產(chǎn)生大量大帶寬的噪聲，導(dǎo)致一些水下生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。因此，水下推進(jìn)器在低速下的有效性、機動性以及噪聲與尾跡的控制是制約當(dāng)前水下航行器效能發(fā)揮的主要因素。

諸如弓鰭目、裸背鰻科和鱗純科等魚類，采用柔性長鰭波動的游動模式，生存于狹小惡劣的環(huán)境，具有良好的推進(jìn)效率、機動性與穩(wěn)定性，不僅能夠遠(yuǎn)程遷徙，還具有靈活機動、抗擾動能力強的特點，尤其擅長于低速下的機動。

圖1 幾種采用波動鰭推進(jìn)魚類：（a）長刀魚；（b）黃貂魚； （c）烏賊； （d）魷魚

例如黑鬼長刀魚，如圖1（a）所示，并沒有大多數(shù)魚類擁有的背鰭，游動時身體保持直線，依靠柔性長臀鰭波動產(chǎn)生推力，避免身體擺動增加游動阻力的同時具有很強的穩(wěn)定性和機動能力。另一種采用波動鰭推進(jìn)方式進(jìn)行游動的是黃貂魚，如圖1（b）所示，它通過波動或擺動碩大柔韌的胸鰭產(chǎn)生推進(jìn)力，在復(fù)雜環(huán)境下也能保持很高的機動性并能很好地抑制紊流。圖1（c）所示的烏賊與圖1（d）所示的魷魚類似，它們身體后部都具有兩條可以波動的鰭，可以利用這一對鰭在狹小的空間中靈活運動。

模擬利用魚類游動的這些特點，研發(fā)高性能、高效、高機動性、對環(huán)境擾動小的智能仿生水下航行器引起了越來越多研究人員的研究興趣。本文針對仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和分析，主要從推進(jìn)機理、系統(tǒng)研制兩個方面介紹國內(nèi)外已經(jīng)開展的主要工作，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)分析仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器研究中的主要問題，希望能為開展后續(xù)工作提供參考。

2 魚長鰭波動推進(jìn)機理研究進(jìn)展

目前，對魚長鰭波動推進(jìn)機理的研究主要有三種方法：對采用長鰭波動推進(jìn)的魚類進(jìn)行觀察分析、利用仿真工具進(jìn)行數(shù)值仿真計算以及利用水動力學(xué)理論進(jìn)行理論分析。

對采用長鰭波動推進(jìn)的魚類進(jìn)行觀察分析，主要是依靠高速攝像機、生物肌電信號測量儀、光電測量儀、數(shù)字粒子成像測速儀等設(shè)備來采集魚類在游動過程中的姿態(tài)和外部流場特征，對獲得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來揭示魚類的游動機理。例如美國西北大學(xué)的Curet[1]通過觀察“尼羅河黑魔鬼”在魚缸中穩(wěn)定駐留時的鰭面波特征，發(fā)現(xiàn)它們能利用兩束向內(nèi)反向傳播的鰭面波來實現(xiàn)穩(wěn)定駐留，并通過機器魚原型機實驗驗證了該結(jié)論。國防科大的研究人員[2]利用高速數(shù)字?jǐn)z像機對“尼羅河黑魔鬼”的游動過程進(jìn)行了記錄，并通過分析背鰭邊緣線的特征建立了波動鰭的簡易運動學(xué)模型。

在對魚長鰭波動推進(jìn)機理的研究中，由于觀察分析的方法只能獲得定性結(jié)果或者較為粗糙的定量結(jié)果，為了獲得更為精確的結(jié)論，一些研究人員將廣泛應(yīng)用于航空器流體力學(xué)分析的計算流體力學(xué)方法引入到對魚長鰭波動推進(jìn)機理的研究中，用來計算仿真分析魚類游動過程中魚體周圍的流場和壓力場，進(jìn)而計算出魚體周圍的力場，并取得了一些有意義的結(jié)果。例如，2008年，美國西北大學(xué)采用計算流體力學(xué)方法對柔性波動長鰭的水動力學(xué)展開研究，將長鰭的運動理想化為正弦行波，通過數(shù)值計算獲得了推進(jìn)力與波長、波頻、波幅以及鰭長等參數(shù)之間的關(guān)系，并得出了長鰭波動產(chǎn)生推進(jìn)力的首要機制是長鰭運動時生成的中心射流和相應(yīng)的渦環(huán)的結(jié)論[3]。國防科技大學(xué)通過計算流體力學(xué)仿真，獲得了波動鰭在不同擺動幅度、頻率以及不同波數(shù)下的推進(jìn)力變化情況，并結(jié)合統(tǒng)計分析方法得到了計算推進(jìn)力的無量綱表達(dá)式[4]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)利用計算流體力學(xué)的方法分析了波動鰭在不同波動模式下的推進(jìn)力和推進(jìn)效率[5]。

目前，有三種理論用于估算波動鰭推進(jìn)的推力和效率：促動盤理論、大擺幅細(xì)長體理論以及葉片元理論[6]。促動盤理論基于簡單的“黑盒子”方法，是動量原理在流體動力學(xué)中的特殊應(yīng)用。此方法的基本原理是把作用于流體上的推進(jìn)機構(gòu)簡化為理想的裝置（促動盤），當(dāng)流體流經(jīng)它時壓強會增加，通過對整個促動盤面積上壓強增量的積分可獲得流體對其產(chǎn)生的推力。此方法的主要優(yōu)點在于推進(jìn)機構(gòu)（長鰭）被視為黑盒子，因此不需要獲得其詳細(xì)的運動學(xué)模型。但當(dāng)推進(jìn)機構(gòu)運動時尾跡中脫落的渦流能量不可忽略時，這種方法存在較大缺陷。1980年，Blake應(yīng)用促動盤理論分析比較了弓鰭目魚類“尼羅河魔鬼”和海馬柔性長背鰭的推進(jìn)性能，其把柔性長背鰭視為一張盤，并基于此模型應(yīng)用貝努力方程具體分析了“尼羅河魔鬼”和海馬柔性長背鰭的推進(jìn)產(chǎn)生的推力和推進(jìn)效率。大擺幅伸長體理論廣泛應(yīng)用于分析依靠身體與尾鰭波動推進(jìn)的鰻鱺模式和鲹科模式的推進(jìn)性能，由于柔性長鰭波動方式和身體與尾鰭波動方式產(chǎn)生的波在形式上類似，Lighthill和Blake在1990年將“大擺幅伸長體理論”應(yīng)用于分析柔性長鰭波動推進(jìn)的推進(jìn)性能，試圖洞察推進(jìn)波參數(shù)和身體與鰭的相互作用對推進(jìn)性能的影響。應(yīng)用葉片元分析擴展的波動板理論嘗試揭示推進(jìn)波參數(shù)和鰭形狀對推進(jìn)性能的影響，但葉片元分析方法和理論目前尚不完善。

雖然波動推進(jìn)的原理比較簡單，但由于波動鰭在波動過程中與水的相互作用十分復(fù)雜，目前還沒有一個能十分準(zhǔn)確描述波動模型的理論。已有的魚類推進(jìn)理論大都基于勢流、線性邊界條件和尾跡形狀固定的假設(shè)，尚不能分析流體與魚體之間的非線性作用，也無法解決尾跡的動態(tài)變化問題，不能精確描述真實魚類的游動過程，計算結(jié)果僅能定性地指導(dǎo)仿生機器魚的設(shè)計。

3 仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)研制現(xiàn)狀

在魚長鰭波動推進(jìn)機理和水動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，很多研究人員開始設(shè)計制造波動鰭推進(jìn)方式的水下航行器實驗裝置，通過實驗來驗證波動推進(jìn)機理以及研究具有新型推進(jìn)系統(tǒng)的水下航行器的設(shè)計與控制方法。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，最早進(jìn)行仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器實驗研究的是英國赫瑞瓦特大學(xué)的Sfakiotakis[7]等人，他們于2001年設(shè)計了一種長鰭驅(qū)動裝置，其中包含8個并行排列的鰭條，鰭條通過柔性薄膜連接形成一條長鰭，并通過氣動裝置驅(qū)動鰭條實現(xiàn)長鰭的波動，并可通過改變行波方向來改變推力方向。水動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)表明：在一定的推進(jìn)參數(shù)范圍內(nèi)，實驗裝置能夠產(chǎn)生與頻率和波動幅度近似線性關(guān)系的推力，但由于氣動驅(qū)動器體積和慣性較大，產(chǎn)生的側(cè)向力高達(dá)推力的數(shù)十倍，該實驗裝置難以應(yīng)用于工程實際。

經(jīng)過十多年的努力，國內(nèi)外研究人員逐漸研制出了多種仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)。例如，2002年起，日本大阪大學(xué)開始研制一種魷魚機器人“squid robot”[8]，圖2（a）是其第四代機器魚，它兩側(cè)擁有一對波動鰭，每側(cè)長鰭由17個伺服舵機驅(qū)動，并擁有兩條尾鰭，可在水中實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、俯仰、盤旋、上浮、下潛等運動。圖2（b）是其在水下游動的照片，與其他真實魚類同游表明其具有良好的環(huán)境友好性。

圖2 日本大阪大學(xué)仿生機器魚

南洋理工大學(xué)的Low[9]等人模仿長刀魚研制了一種仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器，目前已經(jīng)研制出三代原型機。圖3（a）所示的NKF-III水下航行器的機器長鰭由8根鰭條組成，每根鰭條通過“曲桿-滑塊”裝置連接驅(qū)動，每根鰭條按照一定的相位差作平動，能實現(xiàn)前進(jìn)、上升、下潛等運動模式。圖3（b）、（c）是南洋理工大學(xué)研制的一種仿鰩魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器RoMan-II[10]，它能在水下執(zhí)行多種模式的運動。

2003年起，美國西北大學(xué)的MacIver等人仿裸背鰻科魚“黑魔鬼”的長臀鰭波動推進(jìn)方式，研制了一系列仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器[11]。圖4是目前最新一代原型機，它的腹部由32根鰭條以及安裝在鰭條上的鰭膜組成，靠長鰭波動能產(chǎn)生穩(wěn)定的前向推進(jìn)力，還被用來研究水下航行器的姿態(tài)保持控制。

最近，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Buholzer設(shè)計了一種仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器Sepios，如圖5所示，它具有四條長鰭，能實現(xiàn)水下全方位高機動性的運動[12]。

圖5 Sepios仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器

國內(nèi)方面，仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器的研制工作與國外基本上保持同步，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，也取得了不少研究成果。

2009年國防科大研制了圖6（a）所示的仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器，并提出一種基于迭代學(xué)習(xí)的運動控制算法來保持較高的穩(wěn)態(tài)推進(jìn)速度[13]。圖6（b）是國防科大研制的另一款仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器[14]，該水下航行器由一個筒形本體、兩條波動長鰭、兩片尾鰭以及其他電子設(shè)備組成。兩條波動長鰭對稱安裝于本體兩側(cè)，作為航行器的推進(jìn)器，通過對這對長鰭進(jìn)行協(xié)調(diào)的控制，能改變該水下航行器在水中航行的速度和方向。

圖6 國防科大仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在2008年研制了一種仿藍(lán)點魟原型機，圖7（a）、（b）分別是波動鰭樣機和整體原型機，其每一側(cè)胸鰭均由7根鰭條和相應(yīng)的鰭面組成，每根鰭條由一個獨立的舵機驅(qū)動。原型機還具有重心調(diào)整機構(gòu)，用于實現(xiàn)浮潛控制。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)利用該原型機分析了仿生藍(lán)點魟魚鰭鰭條的運動學(xué)和動力學(xué)特性，并建立了魚鰭波動推進(jìn)的運動學(xué)和動力學(xué)模型，對魚鰭波動推進(jìn)力和推進(jìn)速度進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并實現(xiàn)了仿生藍(lán)點魟模型的巡游、轉(zhuǎn)彎、沉浮等基本運動模式，并使用水下紅外傳感器實現(xiàn)避障功能[15，16]。

圖7 中科大波動鰭推進(jìn)實驗裝置

中國科學(xué)院自動化研究所模仿鰩魚研制過一種靠一對波動胸鰭推進(jìn)的仿生長鰭機器魚[17,18]，如圖8所示，并在第二代機器魚上實現(xiàn)了前進(jìn)、后退等多模態(tài)運動控制，定深定向控制，路經(jīng)點跟蹤控制等閉環(huán)位置控制。目前正在進(jìn)行第三代仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器的研究工作。

圖8 中科院自動化所仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器

盡管仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)研制取得了不小的進(jìn)展，現(xiàn)在已能完成各種運動模式控制，但大都采用開環(huán)控制方式完成波動鰭推進(jìn)裝置的運動控制，控制精度不高、運動能力受限，且總體上缺乏較好的上層智能控制系統(tǒng)，較少涉及軌跡跟蹤控制、水中抗擾控制和姿態(tài)穩(wěn)定控制等高層實用控制技術(shù)，目前仍難以投入實際運用。

4 仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器研究存在的主要問題

目前，仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器的研究已經(jīng)取得良好的進(jìn)展，實現(xiàn)了魚長鰭波動推進(jìn)機理的初步研究，一些原型機的研制以及航行器在水中的多模態(tài)運動控制及定深定向等簡單閉環(huán)控制運動等功能，但仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器與真實波動鰭推進(jìn)魚類游動還存在非常明顯的差距。為進(jìn)一步提升仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)的性能，還應(yīng)針對以下幾個主要問題展開深入工作。

（1）仿魚長鰭波動推進(jìn)機理研究

推進(jìn)機理研究是設(shè)計新型推進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有清晰地掌握了推進(jìn)機理，才能設(shè)計出推進(jìn)效率更高、隱蔽性更強、推進(jìn)力更大的推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)的動力學(xué)研究對于提高波動鰭推進(jìn)系統(tǒng)的運行品質(zhì)有著至關(guān)重要的作用，但目前對于波動鰭的動力學(xué)研究還比較簡單，大都將波動鰭進(jìn)行簡化，并只考慮特殊情況，然后利用有限元分析法求解推進(jìn)力。這樣獲得的動力學(xué)模型對于改善實際系統(tǒng)的運行品質(zhì)作用不大。在以后的波動鰭推進(jìn)機理研究中，應(yīng)合理結(jié)合使用促動盤理論、大擺幅細(xì)長體理論以及葉片元理論等理論模型，高速攝像機、DPIV等觀察真實魚類游動，CFD仿真計算這三種方法，取長補短，不斷改進(jìn)深化各種方法，深入研究波動鰭推進(jìn)魚類游動的推進(jìn)機理，為仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與控制提供依據(jù)。

（2）仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)設(shè)計

仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)設(shè)計包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣系統(tǒng)設(shè)計。機械結(jié)構(gòu)方面，由于材料、驅(qū)動、加工等方面的限制，以及對魚類某些特殊結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的功能認(rèn)識還有待完善，完全模仿魚類的外形、結(jié)構(gòu)還比較困難，仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)多是對真實魚類結(jié)構(gòu)在一定程度上的近似模擬，航行器的波動鰭多采用數(shù)根鰭條通過薄膜連接而成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可以對單根鰭條進(jìn)行單獨的控制，但由于鰭條數(shù)目有限，仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器還不能像真實魚類一樣自然游動，推進(jìn)性能受外形和結(jié)構(gòu)的影響較大，因此，在推進(jìn)機理研究基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬樣機和水動力學(xué)仿真，深入研究仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器在外形、平衡、推進(jìn)、浮潛等模塊結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計與優(yōu)化方法，從而獲得良好的減阻、推進(jìn)效果。此外，還可研制相應(yīng)的原型機并通過水動力學(xué)實驗的方法對機構(gòu)設(shè)計進(jìn)行檢驗、測試和優(yōu)化。電氣系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)大都采用舵機驅(qū)動，它具有運行穩(wěn)定、控制簡單的優(yōu)點，但也存在體積大、噪聲大、精度較低的缺點。所以目前有很多研究人員已經(jīng)開始使用EAP、IPMC、壓電陶瓷等新型驅(qū)動材料，它們具有精度高、噪聲小的優(yōu)點，是未來驅(qū)動系統(tǒng)的研究熱點。

（3）仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器控制研究

仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)高效、高機動運動的實現(xiàn)，不僅與其外形和機構(gòu)設(shè)計有關(guān)，其游動過程中的運動控制方法也至關(guān)重要?，F(xiàn)有的魚類游動機理研究表明：真實魚類通過身體和長鰭對水中渦流的有效控制是其高效、高機動游動和抑制外部環(huán)境擾動的直接原因。然而，目前仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器還不能檢測環(huán)境流場的實時變化，也不具有精確實用的控制模型，并且缺乏實時推力估算的方法，與真實魚類的運動能力仍存在巨大的差距。當(dāng)然，冰凍三尺，非一日之寒，應(yīng)先研究仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器如何通過慣導(dǎo)系統(tǒng)、魚體壓力、鰭面壓力等傳感器感知周圍環(huán)境，估計流場狀態(tài)、環(huán)境擾動的方法，基于狀態(tài)估計與反饋設(shè)計智能控制、擾動抑制方法，進(jìn)而實現(xiàn)波動鰭推進(jìn)水下航行器精確的位置、姿態(tài)控制，并在此基礎(chǔ)上研究波動鰭推進(jìn)水下航行器路徑規(guī)劃、姿態(tài)保持控制等實用控制方法，最終實現(xiàn)接近真實魚類的運動能力，并可在其上加裝機械臂等水下作業(yè)工具，讓其可以為人類帶來實用價值。

5 結(jié)語

海洋中生活著種類繁多，形態(tài)各異的魚類，經(jīng)過億萬年的自然選擇，進(jìn)化出了非凡的運動能力，尤其是采用波動鰭方式推進(jìn)的魚類，在低速、復(fù)雜環(huán)境下具有優(yōu)越的機動性和穩(wěn)定性。魚類的這些特點引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，并據(jù)此開展了一些研究工作，以期揭示魚類形成這些運動特點的內(nèi)在原因，并希望通過模仿這類魚類的運動方式，研制出高效、高機動的仿魚長鰭波動推進(jìn)水下航行器系統(tǒng)。

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