摘 要

随着技术的不断发展，机器人相关领域研究不断深入，出现了各种类机器人。本文以鲤鱼为原型，设计了一个以胸鳍推进的仿生机器鱼。所做的工作内容如下：

本文通过了解鲤鱼的形态特征并利用CorelDraw软件得到鱼体的外形轮廓线图建立起鱼体的整体模型。完成了鱼胸鳍的模型设计。同时考虑到鱼体和鱼鳍的连接方式，设计了一个分为左右两部分的连接件，实现鱼体、鱼鳍二者连接，达到了固定鱼胸鳍以及固定形状记忆合金丝的目的。完成了机器鱼模型的设计。

在所建立好的模型之上，对鱼游动进行二维的流场仿真分析。采用了两个不同视角上观察的方式。在Fluent中采用动网格的方式分别定义不同的运动进行仿真分析，并得到了一定的仿真结果。发现鱼体游动时流场局部压强最大达到近90Pa，流速达0.147m/s。这有助于下一步研究。

最后完成了驱动模块设计和控制系统设计这两大内容。硬件部分的设计包括各个模块的分析以及各自元硬的选型、电路图等；软件部分的设计包括各模块功能程序、鱼体运动控制程序的编写和在proteus仿真软件里的仿真模拟等。

本文所做的研究内容能对仿生机器鱼设计及仿真分析的进一步研究提供一定帮助。

关键词：仿生机器鱼；胸鳍推进；流场仿真分析；形状记忆合金

Abstract

With the continuous development of technology, robotics research in related fields continued to deepen, there have been various types of robots. In this disertation, making carp as a prototype, a pectoral fin propulsion of the bionic machine fish is designed.

In this disertation, by understanding the morphological characteristics of carp and the use of CorelDraw means to obtain the contours of the fish shape, the overall model of fish is established. Also the fish pectoral fin model design is completed. Taking into account the fish and fins of the connection, a left and right parts of the connection is designed, achieving the function that the fish, fins connected to both the fixed fish pectoral fins and fixed shape memory alloy wire.

On the basis of the established model, the two - dimensional flow field simulation of fish swimming was carried out. In the Fluent, we use the dynamic grid to define the different motion respectively to carry on the simulation analysis, and obtain the certain simulation result. The local pressure of the flow field reaches nearly 90Pa when the fish moves ,flow rate is about 0.147m/s and which is the basis of the next step.

Finally, the design of the drive module and the design of the control system are completed. The hardware part of the design, includes the analysis of the various modules and their hardware selection, circuit, etc. The design of the software part includes the function program of each module, the preparation of the fish movement control program and the simulation in the proteus simulation software.

The research contents of this disertation can provide some help for the further study of the design and simulation analysis of bionic robot fish.

Key Words： Bionic machine fish； Pectoral fins advancing； Simulation analysis；

Shape memory alloy

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究的基本内容、目标、拟采取的技术方案及措施 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究目标 4

1.3.3拟解决的关键问题 4

1.3.4研究方案及措施 4

第2章 仿生机器鱼结构设计 5

2.1仿生机器鱼鱼体结构设计 5

2.1.1鱼体的形态学分析 5

2.1.2鱼体外形轮廓线的提取 6

2.1.3鱼体模型设计 8

2.2仿生机器鱼胸鳍结构设计 9

2.2.1胸鳍鳍片设计 9

2.2.2胸鳍连接件设计 10

2.3本章小结 10

第3章 Fluent仿真分析 12

3.1计算流体力学 12

3.2 Fluent软件介绍 13

3.3仿真模型的建立 14

3.3.1分析体系的内容划分 14

3.3.2鱼体模型的简化 14

3.3.3Gambit前处理 16

3.4 Fluent求解分析 17

3.5本章小结 22

第4章 仿生机器鱼控制系统设计 23

4.1微控制器模块设计 23

4.2驱动模块及控制系统设计 24

4.2.1 驱动模块 24

4.2.2 SMA驱动控制 26

4.3传感器模块与控制系统设计 28

4.3.1传感器模块 28

4.3.2红外避障控制 30

4.3.3温湿度传感器 33

4.3本章小结 34

第5章 环境影响与经济性分析 35

5.1环境影响分析 35

5.2经济性分析 35

第6章 总结与展望 37

6.1 总结 37

6.2 展望 37

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪论

1.1目的及意义

因为现代社会的经济和科技等方面的快速发展，各种资源不断被加速地消耗。可以开发利用的陆地资源也不断地减少，而对海洋资源的开发利用水平远远不如对陆地资源的开采，海洋中蕴含的丰富的生物资源和能源资源等资源都没有得到最合理科学的开发利用，所以加快更加地合理利用海洋所蕴含的资源的脚步就显得尤为重要。特别是最近几年，一些利用最新开发的深海航行器进行水下科考的科研活动陆续启动，也显示出了科学家们对海洋资源的研究、开发越来越重视。水下机器人已经在海洋勘探、海底探查、海洋救援等多个方面得到较好的应用。作为一种在水下运作的新型机器人，和传统的采用用螺旋桨推动方式推进的水下机器人相比较而言，仿生机器鱼通过前期大量的研究并且采用了与鱼类相似的形态与运动形式，自身拥有了更高的推动效率，具备更好的机动性；在降低噪声与能耗方面的综合性能也更好了^[1]。尽管仿生机器鱼相关研究较多，但是因为人们对海洋资源开发利用的不断研究以及相关领域研究水平的提高，水底的探测作业、水文生态环境的考查以及国防科技等领域对水下机器人的发展水平要求越来越高。作为实现该功能的机器人中的一个种类，仿生型的机器人随着水动力学，自动化等相关学科的发展、研究手段的提高及先进制造技术、智能材料的问世及投入使用，逐渐成为研究的热点^[2-4]。

1.2国内外研究现状

按照鱼类运用身体某个或某几个部位进行游动的方式不同来进行分类，鱼的运动方式可分为身体和尾鳍推进，中鳍或对鳍推进的两大类别（见图1），每种模式又可分为几个小类^[5]。