摘 要

水下机器人是人类开发和利用海洋的重要手段，新型仿生机器鱼是水下机器人研究的新方向，本文设计了一种基于形状记忆合金丝驱动的仿生鲤鱼。

首先，确定了所要设计的鱼体尺寸并在SolidWorks软件中建立了三维模型，从而在三维模型的基础上进行结构设计，设计了布置电池、传感器等硬件的刚性前身和基于SMA驱动提供推力的柔性尾部，以及尾鳍。

其次，进行了控制系统的设计，主要包括硬件的选型、功能分析以及电路原理图，然后在Keil中编写SMA丝的驱动控制程序、红外避障传感器模块和温湿度传感器模块的功能控制程序等，输出hex文件，在proteus软件中进行模拟仿真。

最后，借助Fluent的动网格技术对鱼体在水中的游动进行仿真分析，进行网格划分后求解计算得出了压力云图、速度云图和速度矢量图等仿真结果，直观地呈现出鱼体各部位在流场中受到的压力，有助于仿生鱼外形的优化。分析展示了鱼体游动过程中产生的Karman涡街现象，从而解释了推力的产生，证明了鱼类游动方式的优越性。

关键词：仿生机器鱼；鲤鱼；SMA驱动；柔性鱼尾

Abstract

Underwater robot is an important means of human development and utilization of the ocean. The new bionic machine fish is a new direction for underwater robot research. This dissertation designs a bionic carp based on shape memory alloy wire drive.

First of all, to determine the size of the fish to be designed and establish a three-dimensional model in the SolidWorks software. Thereby on the basis of the 3D model for structural design，design rigid predecessor that lay out the rigidity of the battery, the sensor and other hardware. And design the flexible tail based on the SMA drive to provide thrust, as well as the tail fins.

Secondly, the design of the control system was carried out. Mainly includes the hardware selection, functional analysis and circuit schematics, and then write the drive control procedures for SMA wire, infrared barrier sensor module and temperature and humidity sensor module function control procedures in Keil. Output hex files to simulate emulation in the proteus software.

Finally, using the dynamic grid technology of Fluent to simulate the swimming of fish in water. The simulation results of pressure cloud, velocity cloud and velocity vector are obtained, and the pressure of each part of the fish in the flow field is displayed intuitively, which is helpful to optimize the shape of the fish. After the grid partitioning, the calculation results in the simulation result of the pressure cloud diagram, the velocity cloud diagram and the velocity vector diagram are obtained. Intuitive to show the various parts of the fish in the flow field by the pressure, contribute to the optimization of the shape of bionic fish. The analysis shows the phenomenon of Karman vortex generated during the swimming process of fish, which explains the generation of thrust and proves the superiority of fish swimming mode.

Key words: Bionic machine fish; carp; SMA drive; flexible fishtail

目录

第1章 绪论 2

1.1研究背景和意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.3本文主要研究工作 2

第2章 SMA丝驱动的仿生鲤鱼设计 2

2.1仿生鲤鱼三维建模 2

2.2柔性尾部设计 2

2.3刚性前身设计 2

2.4本章小结 2

第3章 机器鱼控制系统设计 2

3.1控制系统硬件设计 2

3.1.1传感器模块 2

3.1.2微控制器模块 2

3.1.3驱动模块 2

3.2控制系统软件设计 2

3.2.1SMA驱动控制 2

3.2.2红外避障模块 2

3.2.3温湿度传感器 2

3.3本章小结 2

第4章 Fluent仿真分析 2

4.1Gambit前处理 2

4.1.1建立模型 2

4.1.2网格划分 2

4.2仿真求解分析 2

4.3本章小结 2

第5章 经济性和环境影响分析 2

第6章 总结与展望 2

6.1总结 2

6.2展望 2

参考文献 2

附录A 2

附录B 2

附录C 2

致谢 2

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

陆地资源正在日益枯竭，海洋面积比陆地要大一倍多，蕴藏着难以估计的能量，发展空间巨大，有朝一日甚至可以成为人类的粮仓。但由于人类生来就生活在陆地上，对复杂的海洋环境知之甚少，远不如对陆地的了解。因此，进行海洋开发面临着重重困难，需要大范围的相对精确的海洋环境数据来支持，人类自己是没办法潜入海底完成这些工作的，而水下机器人则完美的具备完成这些任务的功能，自然而然就成为了海洋资源长期探索开发的重要设备，起着举足轻重的作用，可用来帮助人类完成相对复杂的水下任务，获取各种所需的数据资料。

在水下机器人的研究工作中，有一个十分关键的问题就是推进系统的设计。最初设计的水下机器人普遍采用的螺旋桨推进，久而久之，人们逐渐发现这种推进方式并不是那么完美，存在着很多问题，比如说在推进过程中伴随着侧向涡流的产生^[2]，而且噪音很大，能量消耗也比较高，但推进效率却依然很低，又极易缠绕水草，不够灵活。而海洋中的鱼类就不同了，它们在海洋中生活了亿万年，早已经进化出非常适合海洋世界、海洋环境的堪称完美的游动性能和器官，并且随着环境变化，不断改善继续进化。在1926年，Breder通过对鱼类的推进模式长期的观察和研究，根据推进部位的不同对其进行了划分，主要分为身体/尾鳍（BCF）推进模式和中间鳍/对鳍（MPF）推进模式^[1]。自然界中绝大多数的鱼类都采用的BCF推进模式，运动过程中身体左右连续摆动击水，因为力是相互的，所以水对鱼体产生了反作用力，从而推动鱼体向前运动。身体的波动和尾鳍的摆动形成了向后传播的推进波^[4]，从而使鱼体可以快速高效的游动。BCF模式又可细分为鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式、鲔科模式和箱鲀科模式^[5]，如图1.1所示。大量研究表明，鱼体的推进效率、游动速度和机动性等与推进模式有关，也就是参与推进的部位占全身的比例大小，占比越大则机动性越好，越小则更快速和高效。