王崇磊， 劉 洋， 韓 陽

（哈爾濱工程大學船舶工程學院船舶與海洋工程國家級實驗教學示范中心，哈爾濱 150001）

0 引 言

作為水下機器人技術之一，仿生柔性鰭波動推進技術［1-6］以用MPF模式［7］推進的典型魚類為仿生對象，模擬魚類的游動方式［8］，具有操縱性優(yōu)異、水動力噪聲低、易于仿生改造、地形通過性強、可在限制航道工作等海洋作業(yè)特點，在海洋資源開發(fā)、淺灘地形地貌采集、極地附屬探測等多領域發(fā)揮作用。

目前，國內外已有不少大學和研究單位進行了各式各樣的仿生波動推進的研究［9-14］，但是在計算方法以及控制機構、機械結構、仿生推進部分［15-17］的設計方面依然存在著一些需要解決的問題，離實際工程應用還有很大距離。據此，本文從一些機理性和探索性方向進行研究，設計及搭建了仿生波動鰭流場分析和力學分析試驗平臺，并進行PIV流場測試及力學測試，為更為深入的性能研究提供理論層面上的指引和技術層面上的幫助。

1 機構設計

1.1 運動機構設計

實驗中采用舵機-擺桿-波動鰭的傳動方式，如圖1所示。舵機采用數字舵機，基本參數見表1。根據設置，擺動中心到波動鰭內側邊緣的距離和波動鰭寬度的比例為1∶2，可通過調節(jié)波動鰭夾片與擺桿之間的位置關系或者波動鰭夾片和仿生波動鰭之間固定的位置關系，調節(jié)舵機的擺動中心到波動鰭內側邊緣的距離。

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表1 舵機參數一覽表

1.2 波動鰭材料和形狀選擇

由于單個周期波動鰭相比較多個周期在相同擺幅、頻率條件下，具有更大的推力和更高的推進效率，因此選用單個周期波動鰭的推力測量作為試驗的主要內容。材料上選擇硅膠板，滿足密度小、延展性高、表面光滑疏水的要求；波動鰭的設計寬度為100 mm；鰭面波動方式近似為正弦，結合波動鰭的擺幅參數a的取值有-0.30，-0.40，-0.50，如圖2所示，b取值為0.5，對應于波動鰭的形狀有3種，如表2所示。

表2 波動鰭和展開扇形的參數對照

圖2 不同擺動幅值的鰭面模型

1.3 測力方式設計

如圖3所示，將舵機、傳動機構、波動鰭作為一個整體，各舵機用不銹鋼連接件固定在一根鋁合金橫梁上，連接成為一個整體。通過測力天平測得前后方向的推力，然后將天平水平旋轉90°測得上下方向的升力。

圖3 試驗機構三維模型設計

1.4 控制系統設計

控制系統采用24路舵機控制集成系統，包含C015-24路控制器（ZL-IS2）、USB數據傳輸線、24路舵機控制板、試驗測試機構等。通過在軟件控制面板上輸入擺動角度所對應的脈沖來控制單個舵機的擺動速度和擺動角度。脈沖幅度和擺動角度的關系如表3和圖4所示。

圖4 相對應的仿生波動鰭控制效果

表3 舵機脈沖數與設定擺幅的轉換關系

對各舵機的擺動角度進行脈沖控制的同時需要控制波動的頻率。根據已設定的0.25，0.50，0.75，1.00，1.25，1.50 Hz 6個波動頻率，對所有舵機對應的運動時間數進行統一設置，如表4所示。

表4 舵機時間數與設定擺動頻率的轉換關系

2 試驗場地選擇與試驗機構搭建

2.1 試驗場地選擇

在來流速度為0～0.3 m/s條件下，波動鰭在頻率和擺幅均取較大時可產生正向推力，對室內循環(huán)水槽和拖曳水池進行低流速下速度準確性核對，如表5所示。實驗測得拖曳水池在拖車帶動下的流速準確性好于循環(huán)水槽，因此選擇拖曳水池進行試驗測試。

表5 流速測量結果對比 m·s-1

2.2 試驗機構搭建

如圖5所示，根據三維設計方案，選擇一根長度為1 m的3060鋁合金型材作為裝載舵機的橫梁。裝配順序依次為鋁合金橫梁-舵機連接件-舵機-擺桿-波動鰭夾片；波動鰭整體長度設定為500 mm，由9個舵機控制，端面預留20 mm，兩個舵機中心之間的間距為60 mm；舵機擺動中心到波動鰭內側邊緣的距離為到波動鰭外側邊緣的距離的1/3，長度為50 mm，波動鰭的波動方式幅值隨著波動的前進而逐漸變小，裝配好的波動鰭運動裝置波動鰭朝下，鋁合金橫梁在上，與測力傳感器直接相連，傳感器裝在適航儀上，傳感器下端連接波動鰭運動裝置，上端連接適航儀升沉桿。

圖5 試驗裝置構建

3 不同運動參數下仿生波動鰭力學特性試驗分析

3.1 試驗測量方案

將測力天平（HBM的S2M力傳感器）連接到數據采集器（HBM QuantumX MX840B-16通道用放大器），再將數據采集器連接到電腦進行參數設定。測力試驗共進行三類：①控制基本運動參數擺動幅值、擺動頻率的變化；②控制擺動幅值和擺動波長的交互變化；③控制外界來流速度的變化。

3.2 試驗結果及分析

（1）控制基本運動參數擺動幅值、擺動頻率的變化。數據取來流速度v=0.0 m/s，波長λ=0.5 m，擺動幅值參數a=-0.50，擺動頻率f取所有值（0.25，0.50，0.75，1.00，1.25，1.50 Hz），試驗測量結果如圖6所示。

圖6 擺動頻率變化對仿生波動鰭推力的影響

由圖6可知，隨著擺動頻率f的逐漸增加，仿生波動鰭推力的變化呈正相關，表明在其他運動影響參數不變的情況下，f的增大對仿生波動鰭的水動力性能起正向作用，且隨著振幅的增加，仿生波動鰭的推力穩(wěn)定上升。

數據取來流速度v=0.0 m/s，波長λ=0.5 m，頻率f=1.00 Hz，擺動幅值參數a取所有值（-0.25，-0.30，-0.40，-0.50）。試驗測量結果如圖7所示。

圖7 擺動幅值變化對仿生波動鰭推力的影響

由圖7可知，在來流速度v=0.0 m/s，波長λ=0.5 m的情況下，隨著擺動幅值參數a的逐漸增加，仿生波動鰭推力的變化呈正相關，表明在其他運動影響參數不變的情況下，擺動幅值的增大對仿生波動鰭的水動力性能起正向作用，仿生波動鰭的推力穩(wěn)定上升。

（2）控制擺動幅值和擺動波長的交叉影響。數據取來流速度v=0.0 m/s，擺動頻率f=1.00 Hz，擺動幅值參數a=-0.40，波長λ=0.5 m的波動鰭面，試驗測量結果如圖8所示。

圖8 擺動波長和擺動幅值的交叉影響

由圖8可知，對于已經設計好的同一種仿生波動鰭，當波長增加時，即同一個仿生波動鰭上波數減小時，波動幅值也會增加，這時的推力呈現逐漸增加的趨勢。

（3）控制外界來流速度的變化。來流速度v取0.0，0.1，0.2，0.3 m/s，擺動幅值參數a=-0.4，擺動頻率f=1.00 Hz，對于推力的描述以平均值來表示，結果如圖9所示。

圖9 來流速度對仿生波動鰭推力的影響

由圖9可知，隨著來流速度v的逐漸增加，仿生波動鰭推力的變化呈負相關。來流速度的增大對仿生波動鰭的水動力性能起反向作用，且隨著流速的增加，仿生波動鰭的推力快速下降。

（4）觀察到的渦現象。由圖10可知，由于仿生波動鰭內側邊沿也是波動運動的，所以會產生與外側數值計算結果相似的渦旋，這個渦旋隨著波動動作的完成而在仿生波動鰭尾部脫離，最終會在水面上顯示然后逐漸消失。

圖10 波動尾部的水面渦旋

4 結 論

本實驗研究了仿生柔性鰭自身屬性擺動幅值、擺動頻率以及外界來流速度對其自身推力產生的影響。試驗結果表明，在保持其他運動參數和外界影響參數不變的情況下：

（1）擺動幅值變大或者擺動頻率變大，仿生柔性鰭的推力變化表現為單調增加，且擺動幅值的影響更大于擺動頻率的影響。

（2）隨著來流速度的增加，仿生柔性鰭在1個周期下推力的平均值顯著降低，分析表明，推力的平方的變化與來流速度的變化呈反比關系。

（3）對于已經設計好的同一種仿生柔性鰭，當波長增加時，即同一個仿生波動鰭上波數減小時，波動幅值也會增加，這時的推力呈現逐漸增加的趨勢。