2011年--（節(jié)選）外文翻譯--仿生海龜翼的設(shè)計和實現(xiàn)（譯文）

1、<p><b>　　中文5000字</b></p><p>　　出處：Font D, Tresanchez M, Siegentahler C, et al. Design and Implementation of a Biomimetic Turtle Hydrofoil for an Autonomous Underwater Vehicle[J]. Sensors, 201

2、1, 11(12):11168-87.</p><p>　　仿生海龜翼的設(shè)計和實現(xiàn)</p><p>　　Davinia Font 1, Marcel Tresanchez 1, Cedric Siegentahler 2, Tomàs Pallejà 1, Mercè Teixidó 1,Cedric Pradalier 2 and Jordi Pa

3、lacin 1,*</p><p>　　Received: 20 October 2011; in revised form: 16 November 2011 / Accepted: 22 November 2011 /</p><p>　　Published: 28 November 2011</p><p>　　摘要：這篇論文提出了一種設(shè)計和實現(xiàn)方法，它針對的

4、是AUV水下無人潛航的仿生海龜翼。AUV的最終設(shè)計必須要像海龜一樣運動，對于水翼和仿生系統(tǒng)的設(shè)計，需要一定的仿生靈感。水翼的設(shè)計是基于國家航空咨詢委員會（NACA）0014水動力翼形的研究。在設(shè)計過程中，考慮到推進的路徑、緊湊度、密封和需要的能源，比較了4種不同的推進系統(tǒng)。最終的實現(xiàn)是基于一種球窩機構(gòu)，因為這種機構(gòu)非常緊湊，并且能夠為水翼提供3個自由度（DoF），其在推進路徑方面幾乎沒有阻力。通過水翼獲得的推進應(yīng)該憑經(jīng)驗在水道中進行評價

5、，來比較不同的運動策略。結(jié)果表明，提出的這種通過一種3自由度機構(gòu)控制的海龜水翼可以應(yīng)用在未來的AUV的實現(xiàn)中。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AUV；自由度；海龜運動；推進系統(tǒng)</p><p><b>　?、?、介紹</b></p><p>　　水下自動潛航器（AUV）是一種在水下工作的機器人裝置，它通過船上的電腦進行控制。AUV相對于有人駕駛水

6、下潛航器（MUV）的主要優(yōu)點是，AUV的尺寸小、成本低，因為不需要攜帶人和生命支持系統(tǒng)，因此工作的時間主要取決于電池的壽命。關(guān)于AUV有許多的研究，商業(yè)和軍事上的應(yīng)用。最早的AUV之一，被稱為特殊目的的水下研究載具（SRURV），是在1957年，華盛頓大學的應(yīng)用物理實驗室開發(fā)的，被用來研究擴散、聲傳播和潛艇尾跡。最近，特殊傳感器的搭載，增強了AUV在不同應(yīng)用環(huán)境下的能力，例如生物學的應(yīng)用研究、水道測量學、地質(zhì)統(tǒng)計學和海洋地理學，同時應(yīng)用

7、在詳細繪制海床的海底拓撲地圖方面，研究深海浮游生物，考慮布雷對策，港口的保護方面，補充水聲網(wǎng)絡(luò)，并且還可以來探測化羽的源位置。</p><p>　　大部分常規(guī)的AUV推進系統(tǒng)都是基于螺旋槳的，但是這在一些領(lǐng)域并不是明智的解決方案，例如低流量的環(huán)境，密閉的空間，水平面的附近和不定長的海流中。而水翼是一種天然可選擇的推進系統(tǒng)，最近也經(jīng)常被人們所考慮，因為它運動穩(wěn)定，運動過程有著更少的噪音，較好的靈活性和非常高的可操作

8、性。這篇論文中，我們提出了一種AUV推進系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方式，它是通過仿生基于海龜?shù)耐七M。</p><p><b>　　1.1生物背景</b></p><p>　　海龜解剖學是這篇論文仿生靈感的來源。海龜?shù)凝斠?，也被稱作鰭或前肢，這是海龜主要的動力源。海龜龜翼的主要特點是，肱骨及其半徑非常薄，但不是很長，然而它的趾骨相比較而言非常地長。這些特征形成了一種流線型的水翼，

9、適應(yīng)于高效地游泳，因為它降低了水翼動態(tài)漩渦的限制。另外，海龜?shù)念^部也可以根據(jù)導航的路徑來調(diào)整其方向來減少前進的阻力。</p><p>　　海龜?shù)奈灰疲谕瓿梢粋€特定軌跡的時候，是由于在兩側(cè)橫翼產(chǎn)生的推力。根據(jù)海龜?shù)姆N類不同，龜翼的軌跡也會有所變化。淡水龜?shù)倪\動取決于拍打后由于阻力而產(chǎn)生的推力，并且每條腿都遵循著一個類似橢圓形的軌跡。海龜?shù)凝斠淼能壽E像圖（b）中所示，既有阻力也有升力。在這種情況下，龜翼的運動路徑被

10、分為4個不同的階段，分別叫做下行程、旋前運動、上行程和旋后運動。下行程和上行程階段是最重要的，然而旋前運動和旋后運動僅僅是通過較少的阻力來關(guān)閉運動周期。</p><p><b>　　1.2論文的價值</b></p><p>　　這個項目是一個更大項目的一部分，是在屬于Eidgenössische理工學院（ETH）的自治實驗室（ASL）的發(fā)展項目之下，最終的目

11、標是來發(fā)展一款使用龜翼推進的仿海龜AUV。</p><p>　　為了這個目的，這項工作提出了AUV的龜翼和推進系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計和實現(xiàn)方式，并考慮了最終的龜翼模型需要搭載到一個1m長的機器人上面，需要在10m的海水中進行工作。在AUV水下評價的過程中，假設(shè)最大的海水流速為1m/s，并且龜翼的線性尺寸0.1m，這就決定了雷諾常數(shù)為112359。在這個結(jié)果的基礎(chǔ)上，水翼的水動力配置選擇國家航空咨詢委員會（NACA）001

12、4，因為其可以提供關(guān)于雷諾常數(shù)在升力和阻力之間的最好聯(lián)系。使用類似的方法，這個配置曾經(jīng)被應(yīng)用來提高AUV的機動性。</p><p>　　推進路徑的選擇是由于海龜?shù)姆律`感，本文也將采用8字形的方式，來在整個運動過程中，產(chǎn)生最大的推力。提出的這種機構(gòu)是基于球窩機構(gòu)來產(chǎn)生水翼的運動軌跡，球窩機構(gòu)有3個自由度，可以實現(xiàn)實驗性質(zhì)上的任何推進軌跡。在水道中，對于多種推進路徑進行了測試，目的是優(yōu)化產(chǎn)生的推力。提出的推進系統(tǒng)將

13、在未來的仿海龜AUV設(shè)計中使用。未來這種AUV不同部分的外觀比例也將參照海龜?shù)母鱾€組成部分。</p><p><b>　　1.3相關(guān)的工作</b></p><p>　　AUV的研究通過商業(yè)、軍事和研究領(lǐng)域正在一步步推進。一些例子是Slocum[21,22]的，是基于一種浮力引擎和Ictineu[23]的結(jié)構(gòu)，使用了螺旋推進器來作為推力系統(tǒng)。在[21]的提議中，使用Sl

14、ocum作為一種熱滑翔機，利用機器發(fā)動機和海洋溫度的溫度梯度產(chǎn)生的熱流來作為推力。這種情況下，通過移動內(nèi)部物體來控制俯仰和翻轉(zhuǎn)，并且由翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏航和航向通過水動力偏航時刻來控制。[22]提議使用一種電動滑翔機來改變自己的重量，它的基礎(chǔ)是一種機電位移驅(qū)動器。在這種情況下，翻轉(zhuǎn)動作通過滑翔機的中心位置來設(shè)定，俯仰則是靠移動內(nèi)部重量。偏航和航向則是通過安裝在滑翔機上的垂直尾翼分別控制。在[23]的例子，是由Girona大學開發(fā)的方案。AUV

15、原型是為了完成以下幾個目標：從發(fā)射/釋放點移動機器人，通過一道3×4米的驗證門進行傳遞，定位一個水池底部的十字標并且拔掉上面的標記，定位中度水深的目標。</p><p>　　其他的AUV機器人，例如Finnegan[14]，Madeleine[24]，AQUA[25]和NTU海龜機器人[26]都是使用水翼作為推進系統(tǒng)以提升機動性。Finnegan是由麻省理工學院海洋工程系船模試驗開發(fā)的機器人，它使用了四

16、個對稱分布在機器人的每一邊的鰭來產(chǎn)生推力。每一個鰭通過一對制動器來驅(qū)動，可以實現(xiàn)無約束的俯仰運動。這項研究的主要目標是來提高AUV的機動性，同時提高控制六自由度運動的敏捷性。Madeleine是2005年在3方的研究機構(gòu)合作下產(chǎn)生的，它們是自游生物研究，蒙特雷灣水族館研究所和瓦薩學院。就像Finnegan一樣，Madeline使用4個鰭，但是每一個鰭通過單個制動器來進行驅(qū)動。這個項目的目標是來預測有效的鰭的俯仰運動，并且建立一個可以測試

17、鰭的運動的平臺。AQUA是麥吉爾大學和紐約大學合作的結(jié)果。這個機器人可以使用6條腿來游泳和走路，這取決于機器人的功能。這個機器人運用了大量的傳感器來在需要很大自治性的應(yīng)用中完成一些列任務(wù)。NTU海龜機器人是由南陽科技大學開發(fā)的。這個機器人通過兩個前肢可以游泳，這兩個前四肢通過2個制動器來驅(qū)動，它的兩個后肢是用來掌舵的。最后，[</p><p><b>　　2.材料和方法</b></p&

18、gt;<p>　　完成我們提出的方案的材料和方法可以分為CAD設(shè)計，運動和控制，水通道和儀器儀表。</p><p><b>　　2.1CAD設(shè)計</b></p><p>　　工作中的不同階段通過使用不同的CAD項目來解決。JavaFoil平臺可以研究所選擇的水力翼型的特點，這樣可以明白它是怎么樣工作的，并且有助于理解其在流體和結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的影響。提取出來的

19、最重要的信息是估計的迎角，升力、阻力和動力系數(shù)，這樣可以進行機械優(yōu)化設(shè)計和水動力計算。這個項目的潛在流體分析是一種線性渦量分布?？紤]到翼型坐標，計算了在任何想要的攻角下的沿著機翼表面的局部和非粘性流速。首先計算分布在機翼表面的速度，表面可以集成得到升力和力矩系數(shù)。然后計算了靠近機翼表面的流體運行狀況，這可以用來計算水翼的阻力。以上兩個步驟需要根據(jù)給出的攻角的變化進行重復計算，攻角對于一個固定的雷諾數(shù)來說會產(chǎn)生水翼的一個完整的極。通過對沿

20、著海龜路徑的推進系統(tǒng)的3個有代表性的位置進行準靜態(tài)分析和預測海龜每次的相對速度，可以估計水動力。</p><p>　　在2D設(shè)計仿真的過程中我們通過Working Model公司（設(shè)計仿真技術(shù)有限公司，坎墩，MI，美國）來預測電動機的轉(zhuǎn)矩。使用NX6和AutoCAD2010來進行機械部分的設(shè)計。使用ANSYS Workbench11來仿真每個組件的最大等效·馮·米賽斯應(yīng)力和變形，已確定在水力槽

21、中每個部分是否有足夠的強度來承受應(yīng)力。使用Maple和Matlab軟件進行計算，解決系統(tǒng)方程式，并且模擬在電機應(yīng)用控制序列的情況下，它的推進路徑軌跡。</p><p><b>　　2.2運動和控制</b></p><p>　　從經(jīng)驗來看，海龜水翼的機械運動是實用Maxon EC 22 50W/167129（瑞典Maxon公司）直流電機，它的參數(shù)是32V，2.82A，5

22、0W，37.2mNm，轉(zhuǎn)速為20200rpm，組合使用一套驅(qū)動器GP 32C 190:1。通過一個光學編碼器（MR Encoder 128 CPT）來提供電機的反饋，編碼器每個循環(huán)有2個128計數(shù)的通道和一個參照通道。</p><p>　　電機的絕對角位置是通過使用3個EPOS 24/5來控制。預定義的軌跡上的兩個角位置之間電機的速度控制在10000rpm。角位置的序列通過實用常用的控制軟件Matlab和C++編

23、寫而成。應(yīng)用于電機的時間和角度序列通過使用Matlab編寫的仿真獲得，仿真了水翼和推進系統(tǒng)在3自由度空間中的運動，這個空間取決于應(yīng)用于電機的角位置序列。</p><p><b>　　2.3水道</b></p><p>　　實驗是在蘇黎世聯(lián)邦理工學院中的循環(huán)水道中進行的，這個水道長2.5米，寬0.45米，深0.64米，其中水的深度為0.4米。在實驗階段，把水翼和推進系統(tǒng)

24、放置在水道的中央，這樣就可以有足夠大的空間，不會與墻壁碰撞。</p><p><b>　　2.4儀器儀表</b></p><p>　　水道中水的速度通過設(shè)置在不同位置的基于MiniWater 6 Micro Schidknecht的螺旋流速計進行測量的。設(shè)備測量的水流速從0.5m/s到20m/s，精度為 1.0%fs，沒有考慮壓力，溫度，密度和濕度。傳感器的使用需要提

25、供9到26V的電源，并且它的工作范圍對于電器來說-10到+80℃，對于探針來說-10到+140℃。</p><p>　　3.海龜水翼的設(shè)計和實現(xiàn)</p><p>　　這一部分主要討論了海龜水翼水動力配置的仿生設(shè)計和實現(xiàn)方式。</p><p>　　在液體中的每一個水動力運動中，都會收到阻力D和升力L，以及力矩M的影響（圖2）。升力定義為水動力垂直于液體方向的總和，然而

26、阻力是阻擋液體方向平行于液體方向的力。所有這些力定義在翼弦25%的樞軸點上。等式（1）表示了計算這些力的公式，可以看出力取決于水動力的配置，以及液體的特征。</p><p>　　其中V是物體相對于液體的速度； 是液體的密度；C是翼弦； 和 是升力，阻力和動力系數(shù)，S是水翼器的表面積。這個表面是通過計算弦b乘以水翼的長度，因為可以應(yīng)用薄項的相關(guān)配置。</p><p>　　海龜水翼的水動力配置

27、文件我們選擇NACA 0014（圖2），在仿真中加載JavaFoil，它通過恒定的雷諾數(shù)（Re）提供了升力與阻力之間最好的關(guān)系。這個可以通過下式計算：</p><p>　　其中 是液體的密度；V是液體的速度；L是線性空間的情況； 是液體的動力粘度。</p><p>　　決定海龜水翼方向的最重要的參數(shù)是攻角（ ），當升力除以阻力的系數(shù)（L/D）最大的時候攻角是最優(yōu)化的。在這個實例中，機器人的

28、速度是1m/s，0.1m作為水動力配置的特征線性空間，雷諾數(shù)取常數(shù)為112359，通過JavaFoil估計的最優(yōu)化攻角為8°。這個數(shù)值將會在水道中進行驗證和實驗優(yōu)化。</p><p>　　應(yīng)用在靜態(tài)機構(gòu)分析，變形分析和最大等效應(yīng)力分析的水動力值將沿著海龜水翼的8字形來進行計算。圖3買書了在海龜水翼3個關(guān)鍵位置的模型</p><p>　　就一般情況而言，外形通過攻角的描述來進行定義

29、。當相對于水的速度更高或者鰭通過方程式（1）考慮的尖端估計力，這些情況是最不利的。升力，阻力和動力分別是7.09N，0.17N和-9.3mNm。盡管升力和阻力系數(shù)很大程度上趨向于更高，對于這個項目來說雷諾數(shù)是混合的，因為AUV機器人的操作規(guī)范決定了。</p><p>　　3.2 CAD設(shè)計和實現(xiàn)方式</p><p>　　水翼的設(shè)計是通過NACA 0014利用一個100mm的特征線性空間和一

30、個長度為307mm的輪廓定義的，因此長寬比為3.07。水翼的功能模型將使用FullCure 720材料，利用快速成型技術(shù)制作，把鰭分成兩部分，搭配成一個獨特的元素。水翼的內(nèi)部被設(shè)計成稀疏的結(jié)構(gòu)，以減小它的重量。利用Ansys Workbench 11來證明水翼擁有一個最小的重量和足夠的機械強度，以支撐其在組裝過程中不會損壞。適應(yīng)這兩個目標的最好的方法就是設(shè)置縱向條結(jié)構(gòu)，分別位于距離鰭與機構(gòu)的結(jié)合處58，99.7，141.4，183.1，

31、224.8，266.5mm的地方，并且橫條位于距離鰭的右部分9.8，37.1，59.3，71.9mm的位置。兩種情況下的條寬均為2.8mm。圖4（a）像我們展示了水翼的馮·米塞斯應(yīng)力，最大值為55MPa，低于使用材料的許用應(yīng)力。圖4（b）展示了快速制造的模型。結(jié)果為此次設(shè)計在組裝過程中不會出現(xiàn)破壞提供了有理的支持。</p><p><b>　　4.水翼推進機構(gòu)</b></p&

32、gt;<p>　　這部分工作，考慮了四種可替代的水翼推進機構(gòu)：四桿機構(gòu)，差動機構(gòu)，窩機構(gòu)和滑輪機構(gòu)。對這些機構(gòu)進行了分析和比較，希望得到AUV設(shè)計的最佳系統(tǒng)。最終的機構(gòu)會設(shè)計并制作，在水道中進行實驗測試。</p><p><b>　　4.1四桿機構(gòu)</b></p><p>　　四桿機構(gòu)[圖5(a)]有2個自由度，和4個由兩個聯(lián)系的電機控制的約束[M1&a

33、mp;M2:Figure 5(a)]，電機位于混合部分的內(nèi)部。水翼與另外一個位于b桿中間點的電機相連，以改變攻角[M3:figure5(a)]。最重要的特點是b桿中點的軌跡是一個8字形的。路徑的真服取決于桿之間的桿長關(guān)系。這個機構(gòu)存在4個奇異點，當機構(gòu)輸入桿角度和輸出桿相對于b桿的角度為45°和-45°的時候會出現(xiàn)。在這些情況下，機構(gòu)會處于一種限制狀態(tài)，這種狀態(tài)下無法確定最終的運動。因此，這種情況下，進行控制的兩個聯(lián)

34、系的電機必須正確地運行以避免機構(gòu)中的死點情況。</p><p><b>　　4.2窩機構(gòu)</b></p><p>　　窩機構(gòu)[Figure 5(b)]有3個自由度，通過位于機構(gòu)內(nèi)部的3個電機提供，可以實現(xiàn)海龜水翼的任意推進路徑。這種情況下，水平面的運動通過M1控制電機實現(xiàn)，電機M2控制垂直面的運動，M3控制水翼的攻角。這個設(shè)計非常的緊湊有效，可以容易地裝華為AUV的結(jié)