混合推进器仿生智能水下航行器的设计与试验

仿生智能与机器人2（2022）100072具有混合推进器的可拆卸水下航行器的设计、制造和试验;高东奇a，王彤a，秦风华a，张世武b，张俊晶c，杨继明aa中国科学技术大学现代力学系，合肥230027b中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，合肥230027c中国船舶开发设计中心，中国A R T I C L E I N F O保留字：UUV混合推进器生物启发扑鳍仿生A B S T R A C T对于无人水下航行器（UUV）来说，快速性和敏捷性同样重要。 在这项研究中，我们开发了一个UUV配备了混合推进器，其中包括一个螺旋桨和四个仿生鳍状肢。仿生鳍状肢依靠它们的拍打运动来产生推力和侧向力，螺旋桨为快速巡航提供了额外的推力。在保持快速航行能力的前提下，大大提高了机动性。针对典型的航行要求，设计了鳍状肢的扑动运动，并建立了基于中央模式发生器（CPGs）的控制算法，以产生考虑运动周期性的有节奏运动信号。同时，结合反馈控制方法，对航向偏差进行修正。采用紧凑的同心轴传动机构克服了车内空间不足的问题，完成了整车的制造。最后是航行和机动性能进行了试验。结果表明，UUV的总体航行性能由于扑动鳍和螺旋桨的组合，显著增强了。混合动力推进器能够在多种环境中航行1. 介绍随着海洋勘探的发展和军事用途的扩大，无人水下航行器（UUV）正不断引起世界各国科学家和工程师的关注[1目前大多数UUV采用螺旋桨作为其主要推进系统。这些UUV通常主要针对快速巡航和高效率进行优化，因此限制了它们在狭窄空间或复杂环境中的应用。鱼类和其他海洋动物已经发展出优秀的游泳技能，在推进效率、灵活性和隐蔽性方面具有巨大优势，经过多年的进化，完全适应了水下环境[4，5]。因此，人们已经做了大量的工作来探索鱼类游泳的秘密Breder根据用于推进的身体部位将鱼类的游泳模式分为身体和/或尾鳍（BCF）推进和中间和/或成对鳍（MPF）推进[12]。BCF模式适合长时间游泳使用尾鳍产生大推力，而MPF模式使用成对的胸鳍、背鳍或臀鳍来获得足够的机动性。 BCF模式的典型机器鱼包括Robotic*通讯作者。电子邮件地址：qfh@ustc.edu.cn（F. 秦）。https://doi.org/10.1016/j.birob.2022.100072金枪鱼[13]，SPC-III [14]，自主机器鱼[15]和双关节海豚机器人[16]。机器人金枪鱼的游泳效率高达91% [13]。然而，当推进力由身体和/或尾鳍的振荡产生时，侧向力也不可避免地产生，因此BCF模式的机器鱼在游泳期间难以保持其身体稳定。机器鱼[17]和Rajiform机器人[18]是具有MPF模式推进器的机器鱼的两个代表。由于波浪形鳍的对称一致性和运动，它们可以平滑地将向前游泳的步态改变为向后游泳而不转弯[19]，并通过向内发送反向传播的波[20]横向移动。作为MPF模式的一个细分，唇形摆动胸鳍以产生游泳推力和操纵力[21]。受胸鳍推进敏捷性的启发，科学家们开发了许多敏捷的UUV，如Robotic Turtle [22]和Four-fin Bio-inspired UUV [23]，它们都可以实现所有六个自由度的运动：浪涌，摇摆，起伏，滚动，俯仰和偏航。然而，目前大多数仿生UUV远不能复制原型海洋动物的运动特性，这也为其在工程上的应用设置了障碍。尽管速度和敏捷性对UUV同样重要， 根据无人潜水器的整体表现来支付作为螺旋桨接收日期：2022年7月14日;接收日期：2022年9月3日;接受日期：2022年9月15日2022年9月24日网上发售2667-3797/©2022作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表仿生智能与机器人学期刊主页：www.elsevier.com/locate/birobD. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）1000722具有明显的快速性，胸鳍具有明显的灵活性，我们可以将它们适当地结合在一起，形成一种新型的推进器，称为混合推进器。在这项研究中，我们开发了一种混合推进水下机器人。为了提高速度，潜艇被设计成类似于潜艇的流线型，以减少前进时的阻力。混合动力推进器安装在后部车辆的在仿生部分，四个刚性鳍状肢的灵感来自鱼的胸鳍，每个鳍状肢都有两个自由度，滚动， 和俯仰，围绕身体轴线以X构型定向，以增强车辆的灵活性和航行稳定性。针对汽车尾部空间有限的特点考虑到鳍状肢运动的周期性，使用中枢模式发生器（CPG）产生节律性运动信号。这项研究的贡献分项如下：(1) 把螺旋桨和胸鳍结合起来的想法Fig. 1. 带有混合动力推进器的车辆示意图和车辆运动动力学模型的参考系。表1UUV的动态元素推进，以优化水下的整体性能自由度位置和线性和角推力车辆被提议。(2) 设计了不同目的的鳍状肢运动，包括加速、制动和转向，并融合了反馈控制方法来修正航向偏差(3) 研制了一种混合推进式UUV，通过试验研究了其运动参数与航行性能（速度、操纵性）的关系。结果表明，由于推进器的组合，UUV论文的其余部分组织如下：在第2节中，混合推进器（四鳍推进器）飞行器方向、速度和力矩浪涌（纵轴）浪涌摆动（双轴）垂荡（轴向）垂荡Roll（轴）滚动俯仰（双轴）俯仰偏航（双轴）偏航（ ， ）如图所示。1.一、为了分析车辆运动与混合推进器产生的推力和力矩之间的关系，车身固定参考系（，）设计了一种新型同心轴机构，方便. 原点位于物体的重心，混合推进器结构紧凑第3节讨论了车辆和轴线，是沿着前面和右舷控制算法的基础上CPGs的详细和如何反馈建立了基于车辆运动的控制系统方向，分别。轴的确定是根据增强航行稳定性。第四节讨论了如何测试飞行器最后，第五部分对本文进行了总结。2. 车辆的发展2.1. 混合动力推进车辆由于螺旋桨技术的先进性，大多数采用螺旋桨的船舶和水下航行器往往能够快速有效地航行。操纵力矩由作用在舵上的侧向力提供，并取决于偏转舵的攻角和航行器的航行速度。因此，车辆在转弯时通常转向快，回转半径大大增加。因此，车辆难以在狭窄的空间中或以低航行速度操纵。一般来说，螺旋桨右手定则然后，在车身固定参考系[24，25]中，车辆运动的6自由度方程如下所示��������� +���(���)���+���(���)���+���(���)=���,(1)式中，θ=[θ，θ]和θ=[， θ，]是在身体固定参考系中表示的速度和力/力矩。表1列出了所有动态元素。 表示惯性矩阵，表示科里奥利项和向心项矩阵，表示阻尼矩阵，表示重力和力矩。在目前的工作中，我们将集中在鳍状肢运动的设计，以产生的力和力矩的车辆航行和操纵在水平面（水平面）。如图2所示，螺旋桨可以产生推力，鳍状肢产生推力和侧向力。因此，三个组成部分的表示为，=+舵具有航行速度快，效率高的优点，但缺乏灵活性。相反，仿生推进器能够= L= L���������������������������（二）产生不同方向的力，这些力使仿生水下机器人具有更好的可操纵性。螺旋桨与仿生推进器的结合，可以使航行器具有更好的航行性能。为此，本文提出了一种螺旋桨与仿生推进器相结合的混合推进航行器。如图1所示，螺旋推进器安装在飞行器的尾端，而仿生推进器安装在飞行器的后部，该仿生推进器由四个以X形取向的鳍状物构成。当车辆需要快速巡航时，螺旋桨旋转以提供推力，鳍状肢充当方向舵。如果车辆在复杂的环境中航行，即课程必须如果车辆经常更换，车辆将由鳍状肢推动通常，车辆运动可以通过6个自由度（DOF）来描述，即车辆的位置和取向 =[，其中，m是重心和鳍状肢之间的距离2.2. 鳍状肢的拍打动作螺旋推进器的运动是具有一定角速度的旋转，其在以下部分中由旋转速度ω表示。每个鳍状肢的运动有两个自由度：滚动，这意味着鳍状肢围绕滚动轴划动，和俯仰，这意味着鳍状肢表面围绕俯仰轴翻转。横摇运动将产生沿表面法向的力和沿俯仰轴（展向）的力。俯仰运动使表面法向力产生流向分量，该力可作为推力。此外，取决于鳍状肢的协作运动，D. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）1000723图二. 由螺旋桨和鳍板在水平面内产生的作用在飞行器上的推力和侧向力。图三. 滚转角（θ）和俯仰角（θ）的定义。四个鳍状肢上的横向力可以被抵消以稳定地推进为了方便地表达鳍状肢���������鳍状肢（从- 轴到俯仰轴的角度）和俯仰角（从- 轴到鳍板表面的角度）。这里，下标 = 1，2，3，4表示翻板数。在本研究中，该运动被设置为在表2中给出了航行向前/向后和向左转向操纵的参数和曲线。在此，考虑到鳍状肢的对称构形，以左转向为例进行操纵运动的设计在横摇角随时间变化的运动曲线中，鳍状肢从翼展方向的投影也绘制在曲线上，其中俯仰角如第一图所示针对航行要求，运动设计的目的是生成沿流向的力，并减少横向力。如前一小节所述，如果角相位差( )=+, cos(2+),( )=+, cos(2+),（三）当横摇运动和俯仰运动之间的距离被设定为等于-θ scin 2，即θscin2=θscin 2+θ scin 2时，将产生推力。如果其中���表示时间。 ���是拍打的频率 ���是������扑翼运动的中心角。 ������和 ���分别���是横摇和俯仰的幅度。��� 和 ���表示鳍状肢运动的角相位之间的关系，它将直接决定力的方向。当螺旋桨工作时鳍状肢起舵作用时，它们的运动也可用方程（1）描述。 （3）with ，=0时，������，���= 0。���指示鳍板的位置，并���被设置为舵的攻角。对于扫描请求，四个鳍状件从后视图w形成X形状（X轴=（2 X -1）X轴4），而每个鳍状件平行于X轴（X轴= 0）。对于转向请求，以向左转向为例，鳍状件1和4保持垂直（平行于纵轴），其表面与流向方向之间具有攻角，以产生用于转向的横向力，而鳍状件2和3保持其表面水平，以最小化反转向扭矩并稳定转向运动。在这种情况下，鳍状件的参数是[1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，12，13，12，13，13，14，14，15，15，16，16，17，18，19，19，1���������������=[������, 0, 0, − ]������(0������ ≤���∕4).在仿生推进器中，根据推进要求设计扑翼运动是充分发挥仿生推进器优势的关键。推进请求可分为航行和操舵两类运动角度相位差被设置为θscin2，力将使方向反向而大小不减小，并且运动将适合于向后航行。为了减小侧向力，相邻鳍状肢之间的滚动运动的角度相位差被设置为1，并且运动幅度1、2、3、4、5和频率1为每个鳍状肢都一样。此外，流向力的大小取决于振幅和频率，这是可变参数。对于操纵要求，虽然操纵力矩可以由流向力和侧向力产生，但采用与鳍板运动幅值差成正比的侧向力更为有效。例如，如果右侧的两个鳍状件（1号和4号）的振幅小于左侧的两个鳍状件（2号和3号）的振幅，则将产生指向右侧的净力，并且车辆将左转。在极限情况下，右鳍板固定在表2（DS2）所示的某些位置，并提供最大操纵力矩。此外，为了进一步增强后推力，鳍状肢2和3的俯仰运动，θ2=-θ3θ0被设置为不对称的，即，当鳍板2和3彼此靠近滚动时，前半周期中的俯仰角的大小小于后半周期中的在前半周期，鳍状表面倾向于平行于轴，并且喷流被挤出向左，这最终将{D. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）1000724表2鳍状肢根据不同的推进要求进行运动正、负 、负 均为正、可调。产生向右的侧向力。在另一半周期中，鳍状肢彼此滚动远离，并且表面倾向于垂直于纵轴。在这半个周期内产生的力趋于零。理论上，两个半周期内俯仰角幅值之差越大，提供的机动力矩越大，车辆实现的转向半径越小。因此，可以通过调节来控制转向半径 ���。虽然右侧的鳍状肢不拍动，但它们仍然有助于机动。如表2中的“DS 1”所示对于在狭窄空间中的低速转向，翻板1和翻板4保持水平，以使反转向扭矩最小化并稳定转向运动，这在表2中由“DS 2”表示2.3. 车辆的构造如示于图4、车辆采用流线型细长外形设计（模仿鱼雷形状），长度为1.1米，最大直径为0.13米，以最大限度地减少航行阻力。直流电动机的旋转通过双轴上的钢轴传递到螺旋桨上.为了方便地控制鳍状肢伺服电机安装在混合推进器车辆内部以驱动鳍状件。伺服电机的空间在年底不足，设计了一种新型的同心轴机构，将伺服电机的旋转和扭矩传递给鳍状肢。同心轴机构由两个同心轴、一对锥齿轮和一个三连杆机构组成。使用同心轴机构，鳍状肢的滚动轴线变得更接近，并且机构所需的最小截面积减小，这意味着可以使用更高功率的伺服电机来增强车辆的巡航性能。如图5所示，螺旋桨由黄铜制成，有7个直径为55 mm的叶片，鳍状件由1 mm厚的环氧树脂板制成，并根据潜艇的方向舵车辆的电源组包括一个7.4 V，4 A的锂电池的控制单元电源，一个6 V，10 A的铅酸电池的鳍状肢的伺服电机电源，和一个14.8V，8 A的锂电池的螺旋桨的直流电机电源。车辆数控机床（CNC）。控制板、电池和电机密封在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）管中，以达到防水目的。为防止水渗透，所有传动轴均采用硅油和O形圈密封D. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）10007254⎪⎨������（������，������）（）下一|见图4。 车内结构及同心轴机构。图五. UUV与混合推进器，结合螺旋桨，和四个生物启发鳍。3. 运动控制与反馈3.1. 基于CPGs的运动控制鳍状肢，滚动运动和俯仰运动的同一鳍状肢，被认为是在方程。（五）、因此，可以将计算结果详细表示为：除了针对典型密封要求进行扑翼运动设计外，扑翼运动控制算法也是实现飞行器敏捷性的关键。在这项工作中，横摇和俯仰运动都可以用一个统一的函数来描述（ + cos（2+ ），（4）|为||62|6576||式中，分别表示 鳍状肢1、2、3、4的横摇运动和俯仰运动，分别表示鳍状肢1、2、3、4的俯仰运动。他们是中心|(7)角θr或θr，θ r是运动的振幅θr，θr或θr，θ r。考虑到运动的周期性，在该矩阵中，每个代表直接耦合关系的非零元素被确定以满足不同的航行要求。[26]第27话被人发现]4，从Eq。（5）在任何初始条件下，，，⎧���̈ =���[��� (+���������������−）−���收敛到 +和 +，分别;阶段���̈=���[������ +电子邮件−���−现在]，���⎪⎩���������=2���������+∑[���������������tanh(��� ���−���−������ ������)]���������（五）差������=������ −������将收敛到������。如图所示，图���1 -���1（图2） 6），从Eq. （6）与不同的初始状态将收敛到极限环，该极限环精确地表示由等式（1）描述的所需运动（四）、伺服电机的节律运动信号由振荡器模型，, =+cos,(6)式中，、、为自由常系数。������ ������������和������������������是���将在下一小节中讨论的反馈信号。 相位差= −表示th和th运动之间的耦合关系。������������������在这项工作中，只有直接耦合关系，包括滚动/俯仰运动的两个相邻的如果改变鳍状肢运动参数，随着密封要求的增加，控制信号的峰值、峰值应收敛到尽可能快地恢复。其收敛速度取决于自由常数ε_n、ε_n和ε_n。作为一个例子，常数对信号变化的影响如图所示。7，其中，当λ = 1 Hz时，λ从0突然变化到λ4， λ从0突然变化到λ4������可以看出，常数越大，信号越快地收敛到变化的状态。这两个信号都可以在0.5 kHz内复位，即当平均值≥5且平均值≥50时，为半个扑动周期。在这里，因为方程0−���210−���41−���51000���210−���3200−���62000���320−���4300−���730���410���430000−���84���5100���00000���−���6500−−���85000���7300���760−���87000���84���850���870D. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）1000726|||0否则⎩⎪⎩0否则1，同时���，������ > - 是的||36而= 40否则⎩表3下标1和2表示不同的偏航和俯仰偏差。下标偏航偏差俯仰偏差正面朝右正面朝左正面朝上正面朝下（1> <1，0）（11，0）（2>2，0 ）（22，0）113 2 424 213见图6。 所提出的振荡器模型产生的信号的演变。= 0.006���，=10 scin4和10scin4= 2。1和鳍板4设置得较小，使得仿生推进器产生较小的右指向力，以将航行器拉回到预定航行方向。然后，对于θ= 1、4、5、8，反馈信号 θ 、θ应为负，而对于其他运动，反馈信号应为零。同时，将鳍板1的滚动中心角设置得较小，而将鳍板4的滚动中心角设置得较大，以便两个鳍板更靠近，从而减小反转向扭矩。相反，反馈力矩的大小应与航向偏差的程度有关。对于相对大的偏差，反馈扭矩应该足够大以用于快速调节，而对于小的偏差，反馈扭矩应该足够小以用于精确微调，以防车辆由于过度调整而摆动。因此，引入调整系数α，将调整与偏差联系起来，⎪⎧36（������−������，0）而|��� − ���| ≤ ���,���=|36 岁（八）考虑到作为运动幅度的ω+ω， ω应该是非负的，用于头部右侧的反馈信号被设计为：��� ������������，���={−������而���=一、四、五、八⎧⎪−������while��� 为1（九），⎨⎪0否则见图7。研究了自由常数α和β对当前CPG模型收敛速度的影响。考虑到四鳍仿生推进器的对称性，所有偏差的反馈信号可以表示为��� ������������，���={−������while���=���101、102、101+ 4、102+4���������⎧⎪−������while��� 为���1=（十）约类似于 ，不再重复讨论。而=你好，我是说���你好 2���考虑到伺服电机需要一定的响应时间，信号，自由常数最终被设置为Δk= 5，Δk= 50。3.2. 基于反馈信号的稳定性控制考虑到车辆可能受到外部环境的干扰，设计了基于传感器和反馈算法的稳定性控制策略。由于车辆的浮力中心高于其重心，车辆的滚动自由度相对稳定。因此，我们专注于车辆的偏航和俯仰自由度的稳定性。车内安装陀螺仪，检测偏航角1（ ）和俯仰角 2（ ）。相应地，假定预设过程由 1，0和 2，0描述。如果偏航角/俯仰角偏离预定航向，则将反馈信号引入方程。（5）致动鳍状件以不对称地摆动，从而产生扭矩以使车辆在正确的路线上行驶。在本研究中，反馈控制是借由调整指定鳍状肢的拍动振幅与中心角度来当车辆航向偏离预定航向右侧（θ 1 > θ 1，0）时���其中，对于不同的情况，下标1和下标2应该取不同的值偏航和俯仰偏差见表3。由于偏航和俯仰偏差都是通过鳍板运动的调整来校正的，因此很难同时校正两个方向的偏差。在这种情况下，反馈调整将被连续执行，并且较大的偏差将被优先调整。4. 车辆调查在中国科学技术大学的室外水池中进行了航行和操纵性能试验。为了容易地确定车辆的位置，尼龙绳被放置在池塘上，如图所示。 八、两个摄像头被用来记录车辆很容易从视频中计算航行参数。=D. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）1000727见图8。中国科学技术大学池塘试航（左）和操舵视频拍摄方法（右）。见图9。 分别由螺旋桨和鳍状肢推进的航行速度（左）和向后航行速度（右）。���= 45磅。4.1. 巡航速度在螺旋桨和仿生推进器的共同作用下，测量了航行器的航行速度。转速螺旋 桨转速在1000 ~ 2000 r/min范围内变化，增量为250r/min;鳍状肢拍动频率���在1 ~ 2 Hz范围内变化，增量为0.25 Hz。鳍状肢的滚动幅度设定为 ���= 45°，这是传动机构能够实现的最大角度。俯仰振幅 ���变化范围为25 ~ 35°，增量为5°。车辆的速度变化如图所示。第九章这并不奇怪，该车辆航行快得多时，由螺旋桨推进。航行速度随航速的增加而增加，航速在航速= 2000r/min时达到最大值（0.7 m/s，0.64 BL/s（每秒体长））在仿生推进器的驱动下，飞行器������考虑到传动机构的强度和电机的功率，在本研究中，频率设定为小于2 Hz纵摇幅度 ���对航行速度的影响也在图中示出。第九章当���推力较大时，作为表面法向力的分量的推力同时，由于横截面积增加，由流体引起的拖曳力也将更大。因此，航行速度在大约30°的最佳俯仰幅度处最大。还测量了反向航行性能。因为螺旋推进器的叶片被设计用于高效推进，所以螺旋推进器的向后速度低于向前速度，并且当螺旋推进器旋转得更快时，差异变得更大。相反，仿生推进器的推力方向取决于鳍状推进和拉动机制是相似的。因此，向后航行的速度几乎与向前航行的速度相似，如图2所示。第九章期间通过实验发现，在仿生推进器的作用下，车辆的后退更加稳定。螺旋桨更适合于快速航行，而仿生推进器是低速后退航行的较好选择。4.2. 转向性能以汽车左转向为例，讨论了汽车的转向性能。首先，测试了仅使用仿生推进器的左转向方法，其运动由DS1和DS2表示，如表2所示。作为参考情况，还测试了通过螺旋推进器（表示为SS）向左转向，其中鳍状件1和4的动作与DS 1中的动作相同，而鳍状件2和3保持其表面水平。为进一步提高机器人的转向性能，设计了螺旋桨与仿生推进器的组合转向方案1（CS1）和组合转向方案2（CS2），并进行了试验。CS1是DS1与前推螺旋桨的结合，旨在实现高速转向。CS2是DS 2（���= 45转）和后拉螺旋桨（���=−500转/分）的组合，旨在进一步缩小转向半径和回转周期。 它的设计是为了在狭窄的空间里驾驶。对于上述所有情况，扑动鳍状肢的滚动幅度被设置为 ���= 45°，这是传动机构可以实现的最大角度。SS和CS 1的转向半径（）和回转周期（）如图所示。 10作为一个函数 可以看出，由于鳍状肢2和3的扑动运动的贡献，CS1可以实现比SS更小的和更小的。随着转速的增加，SS和CS1之间的差异对于和都减小。因此，这表明，拍动转向的优势是更令人印象深刻的低航速，这也是可见的高航速。图11示出了转向半径和回转周期随 DS1、DS2和CS2的俯仰幅度θ的变化。 因为两个垂直的舵状鳍状肢产生了一个小的横向D. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）1000728见图10。转向半径（左）和回转周期（右）随螺旋桨转速的变化。见图11。 转向半径（左）和回 转 周期（右）随俯仰幅度的 变 化。力，但在低转向速度相当大的阻力，DS1的转向角大于DS2的转向角，这意味着DS2具有比DS1更好的低速转向性能 在第二拍动期间，鳍状肢产生使转向减速的反转向力矩和使航行加速的推力。当转向阻力矩和推力都随着转向阻力矩的增大而减小时，转向阻力矩和推力 ���都随着转向阻力矩的增大而单调减小 ���，但变化不均匀。回转周期取决于航行速度和转向半径。当俯仰振幅大于最佳振幅时，虽然转向半径很小，但车辆推进速度很慢，回转周期变长。还可以看出，仿生鳍状肢的最小转向半径约为0.15 m（DS2，���半径= 45m），并且可以进一步减小到0.1 m（约0.09 BL）通过反向旋转螺旋推进器（CS2）提供阻力以使车辆的向前航行减速。因此，与DS2相比，CS2需要更长的时间来完成旋转所有转向运动的可操纵性如图12所示。从图中可以看出，SS可以实现比DS1、DS2和DS3更快的回转。CS2时，螺旋桨高速旋转因此，SS是车辆在宽阔水域高速航行需要转向时的一个很好的选择。如果转向半径由于以下原因而受到限制，在狭窄的空间里，非对称扑动鳍状肢的作用变得很重要。CS1的高速转向性能优于SS。当 ���很大时，DS1和DS2都比SS和CS1小得多。在反向旋转螺旋桨的帮助通过采用组合转向运动，车辆可以更加灵活。正如我们所预期的，混合推进器比仅配备螺旋桨或仿生推进器的车辆更适合于不同的情况。5. 结论在本研究中，我们设计了一个混合推进器，它由一个螺旋桨和四个扑翼鳍。螺旋桨可以见图12。所有转向运动的转向半径（）和回转周期（）的比较。提供大的推力以保持快速航行。这四个鳍状肢以X形配置安装在车辆的后部，它们的运动包括两个自由度的滚动和俯仰，灵感来自于唇形鱼的胸鳍由扑动鳍片引起的力的大小换句话说，仿生推进器的作用就像矢量推进器。此外，鳍状肢的运动是精心设计的典型航行要求。在此基础上，研制了基于混合推进器的UUV。UUV的主要特征和性能如表4所示。的D. Gao，T.Wang，F.Qin等仿生智能与机器人2（2022）1000729表4UUV的主要特点和性能项目值尺寸长度：1.1 m，直径：0.13 m重量12公斤驱动电机1个直流电机用于螺旋桨，8个伺服电机用于鳍状肢最大航行速度0.7 m/s（螺旋桨推进）最小转向半径0.1 m（转向模式：CS2）最小回转周期22.4 s（转向模式：CS1）该船被设计成流线型的细长形状，以减少阻力和提高航行稳定性。采用紧凑的同心轴传动机构，克服了内部空间的不足。考虑到机器人运动的周期性，提出了一种基于CPGs的控制算法，为机器人产生有节奏的运动信号。同时，结合反馈控制方法，对航向偏差进行最后，在室外水池中进行了航行和操纵性能试验。结果表明，扑动鳍板的存在显著提高了机器人的机动性能。考虑到螺旋桨和仿生推进器是独立驱动的，在高速航行时加速航行器的回转，但也使用反向旋转螺旋桨来进一步减小航行器的回转半径。最小回转周期下降到22.4 s，而最小转向半径下降到0.1 m，在这项工作中约为0.09 BL。混合动力推进车辆在全速范围内的稳定性、快速性和机动性方面的整体性能符合我们的预期。一些方面，如形状，材料和鳍状肢的运动仍然可以优化，更高功率的电机可以用来进一步提高车辆的性能在未来的竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢本工作得到国家自然科学基金（11272310、11625211、11621202）的资助。附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.birob.2022.100072上找到。引用[1]T.B. Curtin，D. M. Curcio，M.本杰明角Roper，自主水下航行器：趋势和转变，Mar.Technol.Soc.J.39（2005）65-75。[2] A. Inzartsev，《水下航行器》，[3] J. Heo，J. Kim ，Y. Kwon等人，无人 水下航行器的 技 术 发 展 ，J。Comput.Commun. 第28条第一款[4] G.V. Lauder，鱼类运动：最近的进展和新方向，Annu。Rev. 火星科学7（1）（2015）521-545。[5] A.T.唐尼湾Illing，A.M. Faria，J.L. 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