喻俊志，杜晟，吳正興

(1. 北京大學(xué)工學(xué)院，北京 100871；2. 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，北京 100190)

0 引 言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是海洋科技中的重要組成部分，在軍事、民事上均有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)AUV 采用螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)，具有安裝方便、控制簡單，易于更換維護(hù)等優(yōu)點。但其效率低、噪聲大、轉(zhuǎn)向機(jī)動性差以及易出故障等實際問題也不容忽視。與此同時，水下生物經(jīng)過數(shù)億年的演化，進(jìn)化出各種適應(yīng)于水中運動的能力。通過模仿自然界水下生物的推進(jìn)機(jī)理，能有效提高水下航行器的效率和機(jī)動性，以及減少噪聲和對海洋生物造成傷害等問題。

最常見的水下生物是魚類，人類已知的約有2 萬余種。魚類和鯨豚類具有流線型外形，且體表能分泌粘液，能極大降低水中阻力；強(qiáng)有力的肌肉帶給魚類瞬間啟動、爆發(fā)式加速和快速轉(zhuǎn)向的能力，而魚鰾和鰭面的巧妙配合，能讓魚類實現(xiàn)大角度的俯仰運動以及懸停。此外，烏賊、章魚以及扇貝等其他水生生物利用射流實現(xiàn)推進(jìn)和轉(zhuǎn)向，在自身加速前進(jìn)的同時可阻礙捕食者。這些特性給水下航行器的改進(jìn)和研發(fā)提供了新的研究方向和思路。

1 水下仿生航行器的分類

從推進(jìn)力的來源來分[1-2]，可以將水下仿生航行器分成兩大類：一類仿照章魚和扇貝等利用向后方噴出液體進(jìn)行推進(jìn)；一類模仿魚類和鯨豚類，利用身體和鰭面運動時產(chǎn)生的渦流進(jìn)行推進(jìn)。其中魚類按其推進(jìn)主動力的來源可分為奇鰭/對鰭（Medial and Paired Fin，MPF）模式和身體/尾鰭（Body and Caudal Fin，BCF）模式。其中，鯨豚類的游動方式也歸屬于BCF模式。而進(jìn)一步細(xì)分，BCF 模式因其身體段參與生成推進(jìn)力的比例，又可分為鰻鱺式（Anguilliform）、亞鲹科模式（Subcarangiform）、鲹科模式（Carangiform）和鮪行模式（Thunniform）4 種。需要注意的是，這里的分類只針對于魚類的游動模式，而非魚類本身。同類魚可能既能利用BCF 模式實現(xiàn)高速推進(jìn)，又能利用MPF 模式實現(xiàn)機(jī)動轉(zhuǎn)向和保持穩(wěn)定。

烏賊、水母等動物可利用身體的特殊構(gòu)造，儲存水然后向后噴出，獲得前進(jìn)動力；扇貝通過拍動甲殼，可使水流從前方流入，后方小孔噴出，獲得動力。對于生物體而言，每次運動后都需要一定時間進(jìn)行恢復(fù)，運動效率不高。相比較而言，魚類利用身體變形時產(chǎn)生的渦流進(jìn)行推進(jìn)，其運動效率較高，有效功率可達(dá)95%以上。以蝠鲼為代表的MPF 模式，其運動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活；而以金槍魚為代表的BCF 模式，兼具了爆發(fā)性加速和長時間遠(yuǎn)距離巡游的優(yōu)點[3-4]。

2 高機(jī)動水下仿生航行器平臺介紹

用飛機(jī)機(jī)動性類似的概念可以定義水下仿生航行器的機(jī)動性，即水下仿生航行器的加速性能、轉(zhuǎn)向速度以及上浮下潛的速度?？紤]到水下航行器在水中運動時所受阻力要遠(yuǎn)大于空氣阻力，阻力大小與水中運動的速度平方成反比關(guān)系，因此在一定程度上水下航行器所能達(dá)到的最大速度也可替代加速度，作為機(jī)動性的考察指標(biāo)。此外，對于水下仿生航行器而言，其最大優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)向靈活，亦即轉(zhuǎn)向半徑較小。而從實際角度出發(fā)，轉(zhuǎn)向速度較快的航行器通常轉(zhuǎn)向半徑較小。因此在衡量水下航行器的機(jī)動性時，轉(zhuǎn)向半徑也可作為一個評價指標(biāo)。

因水下仿生航行器的大小尺寸不一，采用絕對值進(jìn)行評估有失偏頗。通常的做法是以體長/秒（Body length/second，BL/s）作為速度的衡量單位，而轉(zhuǎn)向半徑以單位體長作為衡量單位。下面以速度、轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向速度等指標(biāo)為主線，介紹近些年來具有較高機(jī)動性的水下仿生航行器平臺。

2.1 噴射式水下仿生航行器

對生物體而言，噴射式的推進(jìn)往往需要特殊的身體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，每次推進(jìn)的間隔時間較長。而對機(jī)械仿生來說，噴射式的推進(jìn)可采用簡單機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。Wang等[5]設(shè)計了一種利用射流進(jìn)行推進(jìn)的仿生扇貝，如圖1所示。模仿扇貝的簾狀肌肉，設(shè)計了可被動彎曲的人工簾狀肌肉，以起到單向閥的作用。仿生扇貝的外殼張開時，水流入貝殼內(nèi)部；外殼閉攏時，人工簾狀肌肉保證水流從后方小孔射出，推動仿生扇貝前進(jìn)。

圖 1 仿生扇貝結(jié)構(gòu)圖Fig. 1Structure of the scallop robot

仿生扇貝外殼的開閉由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)。外殼由彈簧連接，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂垂直于中心面時，外殼張開；而旋轉(zhuǎn)臂平行于中心面時，外殼在彈簧作用下閉合。電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈外殼開閉2 次。通過調(diào)整開合頻率、幅度以及不同尺寸的外殼和射流孔等關(guān)鍵因素，仿生扇貝可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，翻滾等動作。最終通過優(yōu)化參數(shù)組合，仿生扇貝的半徑約為0.15 m，最高平均速度為3.4 BL/s，最大瞬時速度為4.65 BL/s。

Wang 等[6]設(shè)計了一種利用記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）驅(qū)動的仿烏賊水下航行器，可通過鰭面波動和噴嘴向后噴水的方式進(jìn)行前進(jìn)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。利用射流推進(jìn)的最大瞬間速度為0.6 m，但難以實現(xiàn)連續(xù)推進(jìn)。

圖 2 仿生烏賊結(jié)構(gòu)圖Fig. 2Structure of the cuttlefish robot

Liao 等[7]設(shè)計了一種雙尾鰭的機(jī)器魚，如圖3 所示。通過改變2 個尾鰭之間的距離，可使得尾鰭擺動產(chǎn)生的渦流之間相互影響，將其轉(zhuǎn)變成射流，以此來推進(jìn)機(jī)器魚。當(dāng)2 個尾鰭反向擺動時，可有效減少魚體的晃動，降低前進(jìn)阻力。報道的最高游速為0.35 m/s（折合2.5 BL/s）。

圖 3 雙尾鰭機(jī)器魚Fig. 3Schematic of the dual caudal-fin robotic fish

2.2 擺動式/波動式水下仿生航行器

仿效魚類和鯨豚類推進(jìn)方式設(shè)計的水下仿生航行器較多，其研究方向和設(shè)計理念不盡相同。部分平臺是為研究魚類游動機(jī)理而設(shè)計，如MIT 的Robotuna，主要目的是研究尾鰭擺動時流場的變化情況[8]，采用魚體固定在支架上的方式進(jìn)行研究。部分平臺是為研究新的傳感器而設(shè)計，如Zheng 等設(shè)計的仿箱鲀魚系統(tǒng)[9]，主要側(cè)重于側(cè)線的應(yīng)用。本文列舉部分具有較高機(jī)動性能的代表性水下仿生航行器平臺。

2.2.1 MPF 模式推進(jìn)平臺

Chew 等[10]以蝠鲼為原型，設(shè)計制造了一種仿生蝠鲼（見圖4），體長0.28 m，實現(xiàn)了0.45 m/s（折合1.783 BL/s）的最大瞬時直游速度。

圖 4 仿生蝠鲼原型樣機(jī)Fig. 4Photographs of robot manta ray prototype

如圖5 所示，Gao 等[11]設(shè)計的蝠鲼體長0.5 m，翼展0.6 m，重量約為3.4 kg。胸鰭設(shè)計為一個自由度，由17 W 的直流電機(jī)驅(qū)動，實現(xiàn)了0.7 m/s（折合1.4 BL/s）的最大直游速度。

2.2.2 BCF 模式推進(jìn)平臺

從20 世紀(jì)90 年代開始研制水下仿生航行器樣機(jī)以來，BCF 模式推進(jìn)就受到廣泛關(guān)注。BCF 模式推進(jìn)的特點在于結(jié)構(gòu)相對簡單，容易實現(xiàn)，且通過設(shè)計其機(jī)械結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)遠(yuǎn)超其他推進(jìn)模式的性能指標(biāo)。其動力來源也十分廣泛，可采用氣動、液壓、人工肌肉等方式進(jìn)行驅(qū)動。然而就目前研究成果而言，以電機(jī)作為動力來源仍是首選。

1）鰻鱺式推進(jìn)

Stefanini 等[12]以七鰓鰻為原型，開發(fā)了一種長0.99 m，具有21 kn 的仿生鰻魚，以一種仿肌肉的電磁驅(qū)動來改變關(guān)節(jié)角，如圖6 所示。通過中樞模式發(fā)生器（Central Pattern Generator Networks，CPGs）對關(guān)節(jié)角進(jìn)行控制，最終實現(xiàn)了0.7 BL/s 的最高游速。而得益于多節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，仿生鰻魚的轉(zhuǎn)向半徑最小可至0.075 m（折合0.076 BL）。

圖 5 仿生蝠鲼原型樣機(jī)Fig. 5Prototype of robotic manta ray

圖 6 LAMPETRA 機(jī)器魚示意圖Fig. 6Schematic of LAMPETRA robot

2）亞鲹科式推進(jìn)

Zhong 等[13]構(gòu)造了一種線牽驅(qū)動的機(jī)器魚（見圖7）。其后半部分身體由多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接，且具有一定柔性和彈性，當(dāng)內(nèi)置于頭部殼體的舵機(jī)帶動穿過各身體段的鋼絲繩運動時，其尾部也隨之?dāng)[動。通過舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和頻率可控制機(jī)器魚的游動姿態(tài)。機(jī)器魚總體尺寸為0.31 m×0.16 m×0.075 m，重0.5 kg，最終實現(xiàn)了0.665 m/s（折合2.15 BL/s）的最大直游速度和63°/s 的轉(zhuǎn)向速度。

圖 7 線牽驅(qū)動機(jī)器魚示意圖Fig. 7Schematic of wire-driven robotic fish

3）鲹科式推進(jìn)

Clapham 和Hu 通過巧妙設(shè)計iSplash-II 的結(jié)構(gòu)[14]，實現(xiàn)了鲹科式推進(jìn)直游速度方面的突破。如圖8 所示，iSplash-II 共有4 個關(guān)節(jié)，前3 個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度由電機(jī)所決定，第4 個關(guān)節(jié)為被動關(guān)節(jié)?？傮w尺寸為0.32 m×0.048 m×0.112 m，總重0.835 kg。通過一個峰值功率為120 W 的電機(jī)以20 Hz 驅(qū)動尾鰭，最終實現(xiàn)了3.7 m/s（折合11.6 BL/s）的直游速度。然而由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，iSplash-II 并不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖 8 iSplash-II 示意圖Fig. 8Schematic of iSplash-II

Su 等[15]為了測試提出的動態(tài)軌跡法控制下的C 形轉(zhuǎn)向所使用的2 種四關(guān)節(jié)機(jī)器魚，如圖9 所示。大型機(jī)器魚的尺寸為0.586 m×0.08 m×0.15 m，重3.24 kg，而小型機(jī)器魚的尺寸為0.495 m×0.05 m×0.08 m，重1.29 kg。實驗結(jié)果表明，大型機(jī)器魚的峰值轉(zhuǎn)向速度為200°/s，平均最大轉(zhuǎn)向速度為128°/s。小型機(jī)器魚的峰值轉(zhuǎn)向速度為670°/s，平均轉(zhuǎn)向速度為213°/s。2 種機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向半徑均在0.3 BL 之內(nèi)。

4）鮪行式推進(jìn)

Zhu 等[16]以黃鰭金槍魚為原型，設(shè)計了一種單電機(jī)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚Tunabot，如圖10 所示。Tunabot 的尺寸為0.255 3 m×0.049 2 m×0.067 8 m，重0.306 kg。實驗結(jié)果表明，在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高值15 Hz 時，Tunabot 可在超過1.1 m/s（折合4.0 BL/s）的來流中保持位置不變。由于Tunabot 的體型限制，其僅具有直游能力，而不能實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向和俯仰運動。

圖 9 用于C 形轉(zhuǎn)向的2 種四關(guān)節(jié)機(jī)器魚Fig. 9Two four-joint robotic prototypes applied to C-start experiments

圖 10 Tunabot 示意圖Fig. 10Schematic of Tunabot

Du 等[17-18]為解決水下仿生平臺的直游速度和轉(zhuǎn)向性能之間存在矛盾的問題，提出一種新型的兩關(guān)節(jié)驅(qū)動方法并應(yīng)用于仿生金槍魚之上。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的結(jié)構(gòu)能使速度和轉(zhuǎn)向性能達(dá)到一個較好的平衡點。如圖11 所示，仿生金槍魚平臺的尺寸為0.46 m×0.1 m×0.13 m，重1.8 kg，最大瞬時速度為0.76 m/s（折合1.65 BL/s），最小轉(zhuǎn)向半徑為0.35 BL。

圖 11 仿生金槍魚示意圖Fig. 11Schematic of Tuna-like robot

Yu 等[19]設(shè)計了一種高機(jī)動型的海豚用于重復(fù)躍水的運動控制研究，如圖12 所示。躍水海豚的尺寸為0.72 m×0.12 m×0.13 m，重4.7 kg，最高平均速度為1.93±0.05 m/s（折合2.68±0.06 BL/s），最大瞬時速度為2.11 m/s（折合2.93 BL/s）。

3 分析與討論

如表1 所示，通過上述研究成果的對比可以看出，BCF 模式推進(jìn)的水下仿生航行器通過優(yōu)化設(shè)計其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法，可實現(xiàn)遠(yuǎn)超其他平臺的性能指標(biāo)。如Su 等[15]設(shè)計的四關(guān)節(jié)機(jī)器魚，能實現(xiàn)670°/s 的轉(zhuǎn)向速度，雖然較之生物界中射水魚的峰值轉(zhuǎn)向速度高達(dá)4 500°/s 相差甚遠(yuǎn)[20]，但此項記錄在水下航行器的相關(guān)研究中尚屬首次。如最快的iSplash-II 最快游速可達(dá)3.7 m/s（折合11.6 BL/s），甚至超過了一般魚類爆發(fā)時（約10 BL/s）的速度[14]。但BCF 模式最大問題在于速度和轉(zhuǎn)向能力難以兼得[18]。一般而言，單電機(jī)驅(qū)動的航行器往往能在速度方面有較好的表現(xiàn)，而在轉(zhuǎn)向性能方面有所不足；而多電機(jī)驅(qū)動的航行器往往在轉(zhuǎn)向性能方面比較突出，對應(yīng)的則是速度方面表現(xiàn)較弱。

相對于BCF 模式，采用噴射模式的仿扇貝型航行器能同時在速度和轉(zhuǎn)向性能上均有較佳的表現(xiàn)。然而仿扇貝型航行器也存在一些問題，例如難以實現(xiàn)俯仰運動，且在野外環(huán)境中可能會吸進(jìn)雜物導(dǎo)致出水口阻塞從而擱淺等。

MPF 推進(jìn)模式一般具有較強(qiáng)的俯仰能力和轉(zhuǎn)向能力，且直游運動穩(wěn)定性較好，適于搭載載荷或作業(yè)工具以完成水下作業(yè)。此外，MPF 推進(jìn)模式還可跟重心調(diào)整的機(jī)構(gòu)配合，切換成滑翔模式，以實現(xiàn)超長距離的運動。

圖 12 躍水海豚Fig. 12Leaping robotic fish

表 1 不同推進(jìn)方式平臺性能特點對比Tab. 1Comparison of typical parameters of caudal fin-like propulsion AUV

4 結(jié) 語

本文以水生生物的推進(jìn)模式為主線，對水下仿生航行器的研究成果進(jìn)行分類匯總。以高機(jī)動的性能指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，篩選出各個推進(jìn)模式中具有代表性的水下仿生航行器平臺。通過對比分析可以得知，各種推進(jìn)方式均有其各自的優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中要注意因地制宜、按需搭配。

在軍事領(lǐng)域，可考慮用MPF 模式設(shè)計海上瞭望平臺，一方面可通過切換成滑翔模式進(jìn)行超長距離的布防，另一方面也可在必要時候利用MPF 模式突出的俯仰運動能力潛入水底，以避開可能受到的打擊。而BCF 模式提供了多樣化進(jìn)攻和偵察的手段。如可設(shè)計仿蛇型水下航行器，通過狹窄區(qū)域以實現(xiàn)秘密探查，或搭載自爆系統(tǒng)實現(xiàn)定點爆破；可設(shè)計以假亂真的航行器混入魚群中進(jìn)行實地偵察；BCF 推進(jìn)的快速型水下航行器的研究成果，更可直接移植于魚雷之上，用于提高魚雷的速度，實現(xiàn)精準(zhǔn)打擊。而噴射模式可作為輔助動力系統(tǒng)，一方面可用于自身的突然提速，以便甩開敵方；另一方面可通過射流干擾敵方隊形，在關(guān)鍵時刻起到出其不意的效果。