摘 要

随着对资源需求的不断增加，人类开始将探索目标投向海洋，面对巨大的资源宝库，海洋资源的开发成为人类探究的热点问题。利用鱼类的行为方式和运动机理来提高水下机器人的推进速度和效率的想法将伴随着由仿生学、自动控制理论、材料学等学科的发展一步一步成为现实。单关节仿生机器鱼由于具有结构简单，易于研制分析，成本较低的种种优点，未来将具有很大的发展前景。

本文以鲤鱼为模板，设计研究了以尾部推动为主要推进方式的单关节仿生机器鱼。首先对鱼体外形和内部进行设计，设计尾鳍为单关节尾鳍，形状为新月形，而不是鲤鱼本身的叉形，选择了电机驱动的方式并完成了舵机选型。然后通过使用CAD，MATLAB，SolidWorks等软件完成建模设计。

对所建立的模型在ANSYS fluent中进行二维流体仿真，完成了静态和动态流体仿真。动网格采用UDF的方式指定尾鳍运动节点，得出动态下外流场的流动状况。

控制系统设计是基于STM32单片机进行的硬件设计和软件设计，硬件系统部分的设计介绍了各个模块的设计分析和选型；软件设计介绍了如何通过控制PWM的输出调节控制舵机转动。

关键字：仿生机器鱼； fluent仿真；STM32

Abstract

With the increasing demand for resources, human beings begin to set their exploration goals in the ocean. Facing the huge treasure house of resources, the development of Marine resources has become a hot issue of human exploration.The idea of using the behavior and movement mechanism of fish to improve the propulsion speed and efficiency of underwater robots will become a reality step by step with the development of bionics, automatic control theory, materials science and other disciplines.The bionic robot fish with one joint has the advantages of simple structure, easy development and analysis, low cost, and will have a great development prospect in the future.

In this paper, a one-joint bionic robot fish with tail propulsion as the main propulsion method was designed and studied with carp as the template.Firstly, the shape and interior of the fish body were designed. The caudal fin was designed as a one-joint caudal fin with a crescent shape instead of the fork shape of the carp itself. The motor driving mode was selected and the selection of the steering gear was completed.Then the modeling design is completed by using CAD, MATLAB, SolidWorks and other software.

The established model was simulated by two-dimensional fluid in fluent ANSYS, and the static and dynamic fluid simulation was completed.The moving grid USES UDF to specify the moving node of the caudal fin, and obtains the flow condition of the dynamic outflow field.

The control system design is based on STM32 single chip microcomputer hardware design and software design, hardware system part of the design introduces the design of each module analysis and selection;The software design introduces how to control the steering gear rotation by controlling the output adjustment of PWM.

Keywords: bionic robot fish; Fluent simulation; STM32

目录

第一章 绪论 1

1.1研究目的 1

1.2发展现状 1

1.2.1国外发展概况 1

1.2.2国内发展情况 4

1.3应用前景 6

1.4课题研究的目的及意义 7

1.5研究的基本内容及方法 8

1.5.2研究方法 8

第二章 仿生机器鱼结构设计 9

2.1仿生机器鱼外部结构设计 9

2.1.1鱼类游动简介 9

2.2仿生机器鱼内部结构设计 14

2.3本章小结 18

第三章 fluent流体仿真 19

3.1 fluent软件介绍 19

3.2数值仿真体系的建立 20

3.3仿生机器鱼静态流体仿真 21

3.4仿生机器鱼动态流体仿真， 26

3.5 本章小结 33

第四章 单关节仿生机器鱼的控制系统设计 34

4.1驱动方式 34

4.2控制系统硬件设计 34

4.2.1单片机STM32F103RCT6 35

4.2.2 舵机驱动模块 37

4.2.3 电源模块 37

4.2.4 蓝牙模块 38

4.3控制系统软件设计 38

4.3.1 舵机驱动控制 38

5.环境影响与经济性分析 42

5.1环境影响分析 42

5.2经济性分析 42

6.总结与展望 43

6.1总结 43

6.2展望 43

参考文献 45

致 谢 47

第一章 绪论

1.1研究目的

仿生学作为一门综合性边缘学科于20 世纪 60 年代出现，是由生命科学与技术科学互相融合而成。现在的仿生学已经不再仅仅只是把与生物学有关的知识体系，应用到工程设计方面的研究中，而是进一步对正在探索发展的仿生鱼的设计研发，产生了极大的促进作用。越来越多的人意识到大自然能够给与我们的宝贵财富和灵感，将目光进一步对准了海洋世界这一巨大宝库，并在鱼类身上发现契机，试图将它们的行为方式和运动方式运用到水下机器人的研制中，从而能够进一步改善水下机器人的运行方式，提高其推进效率。

国内外研究人员纷纷踊跃参与到对海洋世界里鱼类运动方式的分析研究中。这项研究不仅对人类进一步正确认知鱼类数百年来的不断进化有重大意义，并且能够在科研上对水下机器人的发展，如推进方式、效率、稳定性、低噪声等各种优良性能的提升提供更加优化的解决方案。鱼类由于长期生活在水中，在数百年的进化演变中，成为了名副其实的游泳健将，拥有传统推进器难以实现的优良性能。这样的优良特性对各界科研学者有着巨大的吸引力，这也正是水下机器人的设计目标。鱼类经过数百年的演变具有各种各样的外形特点、运动特性，不得不说对海洋中鱼类的研究分析是一项巨大工程，但是各界研究人员仍满怀热情积极投入到仿鱼形机器人的研制中去，仿鱼形机器人热潮已经掀起。相信通过仿生学、控制理论、材料学等学科的不断发展，各种新理论、新材料的不断出现，通过学习借鉴鱼类的运动方式来改善水下机器人的运动效率和方式的想法终将会成为现实^[1]。

1.2发展现状

始于1930年左右的对鱼类行为、运动方式进行的探索研究，主要分为1990年之前对基础理论的探索研究和1990年之后随着新材料和新型推进装置不断发展进行的探索研究。仿生机器鱼的研究设计开始崭露头角。

1.2.1国外研究简介

⑴1994年，世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼问世。如图1.1所示。该仿生机器鱼是由麻省理工大学研制，长约为1.2米，由两百多个零件组装而成。这条仿生机器金枪鱼不仅具有与真金枪鱼相似的外形结构特点，并且能够模拟真金枪鱼在水中的游动方式。这条仿生机器金枪鱼的问世，对之后的仿生机器鱼研制有很大的启发作用。1995年该大学又进一步研制出了具有较好的加速能力的仿生机器鱼，使机器鱼在机动性能方面的研究得到进一步发展。如图1.2所示^[2]。

图1.1 RoboTuna