1. 1.研究目的

近些年来，随着科学技术日新月异的发展，人类在资源开发的视线也从内陆转移到了海洋上面。海洋中蕴藏着丰富的矿物资源以及生物资源，但是人类对于其的了解不过冰山一角，因此一场席卷全球的针对海洋资源的科技革命已经揭开帷幕^[1]。面对这场一定要打的科技革命，国内自行研发的海洋勘探设备“蛟龙号”正代表着我们要打赢这场革命的决心。不仅于此，随着科技的发展，一批又一批的优秀的水下机器人不停地涌现出来。

正因为这样，鱼类作为在海洋中处于领先地位的生物，在自然进化的历程中，获得了最有利于生存的本领：不但能通过尾鳍的摆动形成向前游动时的推进力，还可充分利用身体周围的流体动能，从而实现较高的游动速度和游动效率。而其对身体各部分优秀的协调控制能力更使其能够实现小于0.3BL(Body Length，BL)的转弯半径和低噪声的游动运动^［32］。仿生机器鱼作为水下机器人的一种，受到大批学者的高度关注。仿生机器鱼作为一种结合了鱼类推进模式和机器人技术的新型水下机器人，拥有着与普通水下机器人相比独特的优势^[2]：推进效率高，运动能力强，机动性能好；流体性能优良；体积小、重量轻、隐蔽性强。由于仿生机器鱼的这些优点，其将会在以下领域得到广泛应用：

1. 在民事方面，仿生机器鱼可用于水质监测，污染源跟踪，海洋生物追踪观察等；

2. 在军事方面，仿生机器鱼由于良好的隐蔽性可使其作为水下侦察装置或攻击性武器；

3. 在海洋资源开发方面，由于仿生机器鱼在游动的方式和外形上皆与鱼类相似，在人类开发海洋资源和研究海洋资源的同时可有效降低人类活动对海洋生态环境造成的破坏；

4. 在娱乐方面，随着机器人技术的创新以及成本的降低，仿生机器鱼可以在游泳池、水族馆等地方供人学习和观赏。

2. 2.研究背景与现状

2.1 研究背景

2.1.1 鱼类推进方式分类及比较

对鱼类的研究最早开始于对鱼类游动的观察和记录，包括运动的速度，方式和身体姿态等等，并由此获得了各种各样的鱼类运动学和身体参数等的数据。在1978年，Beamish将鱼类游动分为三种：持续(sustained，大于200分钟)；间歇(prolonged，20秒至200分钟之间)和爆发(burst小于20秒)。现在一般将鱼类游动简单划分为巡游和机动两种运动方式：前者指鱼类向前的匀速运动，属于定常运动；而后者指鱼类在1秒内的快速运动，包括运动中的加速和减速、倒游和转向等，属于非定常运动。巡游是鱼类在较长距离游动中的运动方式，而机动则是鱼类在捕食或逃逸中常见的运动方式。

从生物学角度，鱼类依照其体型及功能的不同，有以下几个常见的基本推进运动方式：喷射式、身体波动式、BCF推动式和MPF推动式等^[3]。

（1）喷射式：代表生物为水母、乌贼、鱿鱼等。这种推进方式的原理就是利用了动量守恒原理，依靠水的反作用力，在游动过程中，这些生物依靠身体的特定部位间歇性地向身体后方喷射水流，因此产生推进力驱动本体前进^[4]。如图2-1-1所示为乌贼在水下的喷水推进。虽然这种游动方式大多出现在鱼类躲避天敌或自然灾害的场景中，但其还是有一定研究意义的。哈尔滨工业大学的李健^[5]就对于仿生乌贼推进器作出了研究，将水平鳍的摆动与乌贼喷水的推进作用相结合，在尾部产生涡环从而推动前进。