摘 要

近些年来，随着科学技术日新月异的发展，人类在资源开发的视线也从内陆转移到了海洋上面。伴随着仿生学和机械学的发展，仿生机器人相关领域的研究不断深入地发展。仿生机器鱼作为仿生机器人的类型之一也有了长足的进展。本文以鲤鱼为原型，设计了一种以尾鳍作为主要推进器，胸鳍实现平衡功能的仿生机器鱼。主要做的工作内容如下：

本文首先对鱼的种类进行选型，然后根据所选的鱼种提取其的正视、俯视轮廓线和尺寸，同时依据已有论文的知识选择合适的舵机进行机器鱼的驱动。本设计选定尾鳍为三关节尾鳍，由此推算尾鳍的长度，再将鲤鱼的轮廓按照所需的尺寸放大，由此确定整个鱼体的尺寸，然后选择合适的尾鳍形状，最后用Solidworks对零部件进行建模和装配，完成结构的设计。

利用所建立的二维轮廓模型，在ANSYS Fluent上进行二维的流体力学仿真，之后根据鱼体包络线方程，编写控制尾鳍摆动的UDF。最后动网格采用UDF的方式指定尾鳍节点的运动，由此可以得出尾鳍动态下外流场的流动状况。

机器鱼控制系统的设计，分为仿生机器鱼硬件系统和软件系统的设计，硬件系统部分的设计分为各个模块的选型，连接等；软件设计部分分为舵机转角的确定以及编写程序输出相应的PWM以控制舵机的转动。

关键词：仿生机器鱼；三关节尾鳍；Fluent流体力学仿真；UDF；STM32单片机

Abstract

Recently, with the development of science and technology, human’s vision of resources development has shifted from inland to ocean. With the development of bionics and mechanics, the research of bionic robots has been developed in depth. Biomimetic robotic fish as one of the types of biomimetic robots has also made considerable progress. Taking carp as prototype, a bionic robot fish with tail fin as main propeller and pectoral fin for balance function was designed in this thesis. The main work is shown as follows:

In this thesis, firstly, we select the types of fish, and then the frontal and overlooking outlines and sizes are extracted according to the selected fish species. At the same time, the appropriate steering gear is selected to drive the robot fish according to the knowledge of the existing references. In this design, the tail fin is chosen as three-joint tail fin, and according to this the length of the tail fin is calculated. And then the contour of the carp is enlarged according to the required size. After that the size of the whole fish body is determined, and the appropriate shape of the tail fin is selected. Finally, the parts are modeled and assembled with Solidworks to complete the structural design.

Using the established two-dimensional contour model, the two-dimensional hydrodynamic simulation is carried out on ANSYS Fluent. Then, according to the envelope equation of the fish body, UDF is compiled to control the tail fin swing. Finally, UDF is used to specify the motion of the tail fin node in the moving grid, and the flow status of the external flow field under the dynamic condition of the tail fin can be obtained.

The design of control system of robot fish, divided into the design of bionic robot fish system of hardware and software. The hardware part of system design is divided into the selection and connection of each module; The software design part is divided into the determination of the steering angle and the program output corresponding PWM to control the rotation of the steering gear.

Key Word：Bionic robot fish; Three joint caudal fin; Fluent Fluid Dynamics Simulation; UDF; STM32 Single Chip Microcomputer

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2仿生机器鱼研究背景 2

1.2.1鱼类推进方式分类及比较 2

1.2.2仿生机器鱼尾鳍分类 3

1.3国内外研究现状 4

1.3.1国外研究现状 4

1.3.2国内研究现状 5

1.4研究的基本内容、目标、拟采取的技术方案及措施 6

1.4.1研究目标 6

1.4.2拟解决的关键问题 6

1.4.3研究方案及措施 7

1.4.4论文章节安排 7

第2章 仿生机器鱼结构设计 8

2.1仿生机器鱼游动机理 8

2.2仿生机器鱼二维轮廓设计 8

2.3仿生机器鱼鱼体设计 10

2.3.1鱼体外部结构设计 10

2.3.2鱼体内部结构布局 12

2.4仿生机器鱼尾鳍及胸鳍设计 12

2.4.1仿生机器鱼尾鳍结构设计 13

2.4.2仿生机器鱼胸鳍结构设计 15

2.5仿生机器鱼的装配与密封性方案 15

2.6本章小结 16

第3章 仿生机器鱼Fluent仿真分析 17

3.1计算流体力学概述 17

3.2 Fluent软件介绍 17

3.3二维仿真模型的建立 18

3.3.1二维仿真内容概述 18

3.3.2模型简化 18

3.3.3 WORKBENCH前处理 18

3.4 Fluent求解分析 20

3.4.1鱼体静态仿真分析 20

3.4.2鱼体动态仿真分析 22

3.5本章小结 28

第4章 仿生机器鱼控制系统设计 30

4.1控制系统硬件设计 30

4.1.1处理器 31

4.1.2控制单元 32

4.1.3供电单元 35

4.1.4通信单元 36

4.2控制系统软件设计 36

4.2.1单舵机控制系统软件设计 36

4.2.2三关节舵机控制系统软件设计 39

4.3本章小结 40

第5章 经济性与环保性分析 42

5.1经济性分析 42

5.2环保性分析 42

第6章 总结与展望 43

6.1总结 43

6.1.1全文总结 43

6.1.2创新点 43

6.2展望 43

参考文献 45

致谢 47

第1章 绪论

1.1目的及意义

近些年来，随着科学技术日新月异，人类资源开发的视线从内陆转移到了海洋。海洋中蕴藏着丰富的矿物资源以及生物资源，但是人类对于其的了解不过冰山一角，因此一场席卷全球的针对海洋资源的科技革命已经揭开帷幕^[1]。国内自行研发的海洋勘探设备“蛟龙号”正代表着我们要打赢这场革命的决心。不仅于此，随着科技的发展，出现了一批优秀的水下机器人。

正因为这样，鱼类作为在海洋中处于领先地位的生物，在自然进化的历程中，获得了与水中其他生物不同的天赋：其运动的推进力不仅可以由尾鳍向后摆动形成，而且其天生的流线型身体可以运用其流体动能，这样子鱼体就可以达到较高的游泳速度和效率。同时鱼体各部位具有良好的协调和控制能力，可实现小于0.3BL（体长）的转弯半径，并可实现低噪声游动。仿生机器鱼作为一种水下机器人，引起了众多学者的广泛关注。仿生机器鱼是一种新型的水下机器人，它结合了鱼类运动和机器人运动的模式，所以它拥有着与普通水下机器人相比独特的优势^[2]：推进效率高；运动能力强；机动性能好；流线型好等。考虑到仿生机器鱼的发展前景很不错，可以预测到其可以用于以下方面：