英语原文共 18 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
与现有AUV技术相比水生动物作为仿生无人机原型的优势
作者：Frank E Fish
国籍：美国
关键词：AUV，仿生AUV，无人机，游泳，机动性，鱼，海豚
摘要
不论是在陆地、空中还是水中，机器人系统都变得越来越普遍。在水上领域中，包括遥控潜水器（ROV）和自动潜水器（AUV）在内的水上无人机为探索海洋深度增加了新的机会。然而，由于海洋环境比较复杂，水上无人机在船载支持、编程和功能应用这些技术方面都存在局限性。一些新型水下无人机正在研发投用中，这些无人机基于动物自身具备的功能进行仿生设计，有望可以提高其在各种海洋环境中的技术性能。动物游泳性能与常规AUV和BAUV的对比表明，自然系统的游泳能力仍然高于现有AUV技术水平。因此，可以将水生动物在游泳速度、效率、机动性和隐身性方面的表现作为基准，指导仿生水下无人机技术的发展，提高其性能。
1.引言
如今海洋勘探的相关工作已经越来越多地依赖于机器人系统，而不是大型船舶和人类潜水员。海洋机器人系统一般上界定为UUV或无人水下航行器。这些系统可以减少专业人员(潜水员)的工作风险，减少船员和船舶的工作时间，降低操作成本，同时能够在没有障碍物的情况下增加在极端环境中的工作时间。UUV分为两类: 遥控潜水器(ROV)和自动潜水器(AUV)。
遥控潜水器通过缆绳与支援船连接，由人类操作员控制。由于遥控潜水器没有预先编程，操作人员可以自由地调查船舶附近的环境。自动潜水器的使用使人们对海洋领域的探索有了新的认识：由于AUV是独立于操作员的，因此只需要一艘辅助船来进行部署和检索，AUV的操作是通过部署前的预编程输入控制。
常规的水下无人机已经投入使用，美国海军有许多基于REMUS设计的水下无人机，如Kingfish (Sparrow和Lucas 2016)。水下无人机被用于测绘、地球科学、安全等领域，用以跟踪生物有机体(Rife和Rock 2001, Moline等 2007,Nicholson和Healey 2008, Wynn等 2014,Richmond等 2018)。然而，传统的水下无人机有一个基于鱼雷技术标准的设计，这限制了它们的应用范围和性能：这些水下无人机通常移动缓慢，机动性受限，螺旋桨会产生可识别的噪声信号，只能在没有障碍物的远洋环境下工作。滑翔机是另一类水下机器，目前也在使用中(Rudnick 等 2004, Leonard 等 2010)。尽管滑翔机可以在开放的公海中工作很长一段时间，而且相对来说比较安静，但它们也有着与螺旋桨驱动的水下无人机相同的局限性：运动缓慢、机动性低。滑翔机特有的一个限制是，当它们在大陆架上空作业时效率较低，因为它们的浮力引擎在深水中效率最高，强大的表面洋流可以使机器产生相当大的漂移 (Rudnick 等 2004)。
仿生自动潜水器(BAUV)的开发和部署正迅速成为现实。这样的机器是工程系统发展的产物，这些系统具有类似于生命系统的特征或功能(Kumph和Triantafyllou 1998，Vogel 1998, Taubes 2000, Bandyopadhyay 2005, Fish 2006, Fish and Kocak 2011, Moslemi and Krueger 2011, Murphy and Haroutunian 2011, Lock 等 2014, Lauder and Tangorra 2015, Scaradozzi 等 2017).BAUV使用具有类似动物身体的传统推进器：或是类似鱼类和海豚的振荡鳍或波浪形身体的推进器，或是类似鱿鱼、扇贝和水母的喷射推进器(Kumph，2000 Anderson和Chhabra，2002 Stanway，2008 ；Tagorra等，2011；Fish等，2012；Krieg和Mohseni，2013 Marut等，2013 Katzschmann等，2013 )。BAUV有望为水下领域的活动提供一种创新方法，以便能够克服传统水下无人机技术的主要限制，并超越其性能。通过仿生学和仿生设计来模仿水生动物的功能和运动，特别要改进的方面包括：提高推进效率、提高可操作性和灵活性、提高在高能环境下(即海浪、洋流、浪涌)的稳定性，增强在沿海区域以及开阔海洋中的操作能力（基地控制，隐身和地形保护）(Fish and Beneski 2014)。这样一来对于开展各种任务都是有益的。BAUV可应用的范围包括监视、搜查救援、岗哨值班、侦查毒品走私和人口贩运、打击恐怖主义、提供后勤支持、开展军事行动(即情报、监视、通信、水雷,反潜战),确定石油泄漏的位置、炸药检测、鱼类资源评估、海洋测绘、资源勘探、环境遥感监测有害藻华、化学或生物制剂检测等(Fish 等 2003b, 2012,Colgate and Lynch 2004, Bandyopadhyay 2005, Button等 2009, Low 2011, McKenna 2011, Moored等 2011a, 2011b, Rufo and Smithers 2011, Sparrow and Lucas 2016, Zhang 等 2016, Zimmerman and Abdelkefi 2017）。通过模仿水生动物的功能和运动，BAUV将是利用人工智能编程在所有海洋条件下完成复杂任务的完全功能自主机器的理想选择(Mukherjee, 2018)。对BAUV的进一步改进可能包括多模态(即水对地，水对空的运动仿真(Lock等，2014 )。
术语“无人驾驶机器”定义了由遥控或机载计算机引导的无人驾驶飞机或船只，适用于遥控潜水器、自动潜航器和无人驾驶潜水器。该术语通常意味着一种商业、军事或业余爱好者使用的操作系统。像空中无人驾驶飞机一样，水上无人驾驶机器，比如BAUV，可能会有消极负面的影响(图1；Rao等，2016 )。时至今日，BAUV的发展仍处于初级阶段，随着BAUV对人类而言变得更加熟悉和有用，人们的看法也将会改变。尽管有许多试验性的无人机正被用于研究或最终部署的开发中，但这些水上无人机尚未完全实现。BAUV的进一步改进需要对动物的游泳表现进行更仔细的研究。
本文试图证明，与目前的AUV和BAUV相比，动物在水中仍然表现出更好的运动性能。通过将动物的表现作为基准，BAUV可以被设计改造成达到或超过这一目标。因此，以动物形态和生理的分析作为模板，来集中设计具有特定任务能力的自主水下无人机，要检查和比较的关键性能特征包括：速度、效率、机动性和隐身性能。Murphy和Haroutunian(2011)的一篇综述对现有水下机器和动物进行了类似的参数检查，但只有对水下机器性能的预测被用于比较。本综述将利用当前功能性BAUV的数据，对性能的比较进行更新。由于大多数的BAUV是基于鱼的功能进行设计(例如，金枪鱼和海豚)，这些动物将是本报告的主要比较对象。
2.速度
运动速度是动物最基本的表现变量。与游泳速度相关的选择压力可能很大，因为生死取决于这个参数，特别是在捕食者与猎物的接触中。掠食者追逐和超越猎物的能力，以及猎物逃离和超越掠食者的能力，分别是不挨饿和不被吃掉的区别。除了能以200kts (103米每秒)的速度航行的超空泡鱼雷(Polmar和Moore, 2004)和螺旋桨驱动鱼雷(Nesteruk, 2019)之外，大型鱼类(例如，旗鱼、金枪鱼和鲸目动物（例如鲸鱼、海豚)在绝对速度和相对速度方面都比常规的AUV和BAUV要快。最快的传统水下机器是5.14米/秒(5.62英尺/秒)的M3V号。最快的BAUV是BIOSwimmer，它有一个类似于金枪鱼的型体，使用推进器推进，最大速度为2.57米/秒(1.69英尺/秒)(Mazlan 2015，McColgan和McGookin 2016)。BIO Swimmer是Ghost Swimmer的一个变种，它用摆动的尾鳍游泳(Rufo和Smithers 2011，Mazlan 2015)。最初的机器人以1.25米/秒(0.52英尺/秒)的速度游动，通过尾巴摆动来游动(Anderson和Chhabra 2002)。机器人芬尼根以1.44米/秒的速度移动，使用四个横向位于身体上的摆动鳍(Stanway 2008))。一只机器海豚能用尾侧吸虫振荡以2.05米/秒(2.85英尺/秒)的速度游动，是最快的BAUV(Yu等，2016b)。
获得动物最大游泳速度的可靠测量方法很难找到，因为运动动机不同会导致差异较大的表现：鲸鱼会被食肉动物追逐，比如虎鲸和人类；在公海上的观测通常没有固定的参照系，只能依赖于船只观测；对猎物鱼的速度测量是给一定长度的鱼线在测量的时间内放出，但没有考虑到鱼以直线前行和以深度游开的区别。
图1 Sherman的Lagoon漫画描绘的感知仿生AUV(国王影像授权)
最快的游泳者是长嘴鱼，包括剑鱼、旗鱼和马林鱼(表1)。他们的游泳速度为(33.33—36.11米每秒) 甚至超过鱼雷(20.5米每秒)(Barsukov 1960, Kramer 1960, Aleyev 1977, Cho 等2007)。据报道，金枪鱼的最大游泳速度为9.50—20.72米每秒(Walters and Fiersteine 1964, Magnuson 1978)。金枪鱼被用作仿生机器鱼开发中的模型物种，其游动速度比传真机器快7.9—16.6倍。对于鲨鱼来说，短鳍马科(Isurus oxyrinchus)是最快的，速度高达19.44米/秒(Dez等，2015 )。鲸目动物(即鲸鱼、海豚、鼠海豚)的最大游泳速度从6.17米/秒到15.40米/秒不等(表1)。与靠摆动尾鳍推进的鲸类和鱼类不同，海狮、海龟和企鹅这类靠胸鳍的翼状运动游动的最大速度较慢。乌贼能够快速加速，并能使用喷气推进以相对较高的速度游动(Foyle和Orsquo;dor 1988)。
大多数时候，动物游泳的速度远远低于它们的最大速度。最大游泳速度只用于短时间内，因为这样的高速度需要较高的能源成本，并且效率较低(Webb 1975)。缓慢的巡航速度可以无限期地使用，也可以在长时间的迁徙中使用。
从表1的数据可以看出，人们共同认可的是，各种高度适应的水生动物能够以比AUV和BAUV更快的最大速度游泳。动物的这种表现水平在一定程度上是因为可用的肌肉块作为马达，腱、韧带和骨骼作为传输带，鳍和鳍状肢作为推进器，这些单元动作的组合通过基于升力的运动机制产生了高水平的推力( (Lighthill 1969, Webb 1975, Fish and Lauder 2006, Smits 2019)。基于升力的推力几乎是游泳者在整个划水周期中连续产生的。升力是通过在可控仰角下振荡水翼艇而产生的，仰角应该比较小，以避免水流从水翼艇表面分离，从而降低升力并增加水阻力。尽管水翼艇产生了一些阻力，但与升力相比还是很小的(Smits 2019)。高升阻比是具有高展弦比的水翼形状的函数，其中展弦比被定义为水翼平面面积上翼展的平方(Webb 1975, Weihs 1989, Fish and Lauder 2006)。与标准船用螺旋桨相比，具有大展弦比摆动尾部的动物具有较低的载荷，特别是在高速时，因此避免了气穴现象并实现了高效率(见下文；Iosilevskii和Weihs 2008，Carlton 2012)。
游泳动物获得的高速度也是减阻设计和减阻机制的适应功能(Webb 1975, Fish and Rohr 1999, Fish and Lauder 2006, 2017)。各种适应性变化中最主要的是快速游泳动物的流线型外形。流线型外形的特点是具有圆形前缘和缓慢变细的尾部的梭形设计(图2)。这种设计不仅适用于快速游泳动物的身体，也是附肢和控制面的一个外型特征(Fish and Lauder 2017)。梭形设计延迟了流动分离，使流动分离发生在靠近尾缘的地方，流动分离的延迟降低了物体上的压力阻力。梭状体的最大厚度为体长的34%-50%，这也延缓了分离，例如金枪鱼、鲭鱼和鲸类动物(Magnuson 1978, Fish and Hui 1991, Fish and Rohr 1999)。
身体流线型的一个指标是纤度比(FR)，即最大长度与最大厚度的比率(Webb 1975)。旋转体在FR为3-7范围内表现出最小阻力((von Mises 1945, Hertel 1966, Hess 1976))。根据飞艇设计，最优FR为4.5。这为最大体积提供了最小阻力(von Mises 1945)。然而，Gertler(1950)对流线型革命体的分析表明，在FR为7.0时阻力最小。一般来说,快速游动的动物流线型良好，FR值介于3.3-8.0之间(Webb 1975, Aleyev 1977, Fish 1993a)。
除了身体轮廓外，快速游泳的动物还拥有减少阻力的特殊机制：海豚和鲸鱼的皮肤很光滑，以减少阻力(Fish and Rohr 1999, Wainwright 等 2019)；覆盖在鱼身上的肌肉也能创造一个光滑的表面(Wainwright等，2019年)；黏液的化学成分也能减少阻力(Hoyt 1975, Daniel 1981)。又如，鲨鱼的皮肤由于鳞片上的微凹槽而粗糙(Pershin等，1976 ；Reif，1978 )，纵向排列在鳞片表面的微槽通过充当脊状体来促进减阻((Lang等，2008 ；Oeffner和Lauder，2012)。更大意义而言，棱皮龟背甲上的背脊会产生流向涡，以抑制气流分离(Bang等，2016)。剑鱼(Xiphias gladius)拥有一把粗糙且多孔的剑，它被解释为一种微扰发生器，可以触发并激励边界层，防止过早的气流分离(Videler 1995)。此外，剑鱼头部有排油孔，据推测，分泌出的油可以在身体上形成一层超疏水层，以减少摩擦阻力(Videler等，2016)。行为上减少阻力的方法有牵引和集群(Weihs 197
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238298]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
