两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真

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2020年6月17日 10时37分

两连杆机器鱼的简单建模方法

在机器鱼的建模过程中,无可避免地会遇到一个问题,那就是:

 

机器鱼的推进力是如何产生的呢?

 

如果不想明白这个问题,我们没有对推力建模,机器鱼甚至都无法前进,这样我们的建模工作自然就无法往下进行了。

 

如何对这个问题的解答呢?

 

生物学家会认为鱼类会利用身体摆动产生反卡门涡街,向后喷射,从而获得推进力,但貌似具体的建模方法有些复杂。

 

一些文献中,把鱼尾巴当做是一个机翼,用翼型理论来分析鱼尾受力,这样确实是一种方法。

 

一些文献中,则利用细长体理论来建模鱼尾受力。(这个不太清楚,就不瞎说了)

 

以上方法,我都可以理解推力是如何产生的,但是最让我郁闷的就是:

 

一些文献中把鱼尾巴的力分作两部分,一是附加质量力,二是粘滞阻力。

 

我非常不能理解,如果只有这两部分力的话,真的还可以创造向前的力吗?

 

毕竟咋一看,附加质量就是在原来基础上增加了一些质量,并不会产生推力,而阻力感觉上也不可能会产生推力。
(附加质量实际上就是说在水里物体运动要带动周围流体一块运动,这种效应可以近似看做为本体的质量增加了,增加的这部分质量就是附加质量。)

 

那么这样子是否真的可以产生推力呢?

 

直觉不可靠,让我们从一个简单的两连杆机器鱼出发,对其建立模型,来揭开我们的谜底吧!

 

1 两连杆机器鱼示意图

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图

 

说明:

 

点bb bb代表鱼头质心,同时也是转动关节的所在位置,而点tt tt则代表鱼尾质心,从鱼头质心到鱼尾质心的向量由rbtrbt r_{bt}rbt​表示,鱼尾的转动角用θθ \thetaθ表示。图中的坐标系为鱼头坐标系。

 

1.1 关节运动规律

假设鱼尾以某种运动规律进行运动,具体而言就是,θ的变化遵循某种规律,这里采用的是余弦函数,如下:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(1)

 

2 两连杆机器鱼建模过程

2.1 鱼头分析

(1)位置和速度更新

假设鱼头在世界系的位置为Pw​,姿态为γ,这里就考虑二维的,所以姿态可以就用一个偏航角表达。

 

假设鱼头的速度为Vb​,角速度为Ωb,代表的是鱼头相对于惯性系的速度在鱼头坐标系的表示。

(注意,这里Pb,Vb​,Ωb​表示的还是三维向量)

 

位置更新公式为:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(2)

 

这里的(∗)z代表的就是括号内向量的第三个的元素。

 

另外:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(3)

 

速度更新公式为:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(4)

(2)水动力分析

在文章开头说了,我们主要是为了验证如果只考虑附加质量力和粘滞阻力的话,是否能产生推进力。附加质量实际上就是质量,我们只需要在正常的质量上再设置大一些就可以了,这里不需要再分析。而粘滞阻力,我们采取如下建模方式:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(5)

 

其中sign(∗)代表符号函数。

 

(3)受力分析

假设鱼头受到来自鱼尾的力F以及力矩M,利用牛顿欧拉公式,则有:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(6)

 

其中,mb​和Jb​分别是鱼头的质量和转动惯量 。

 

所以,鱼头的加速度和角加速度为:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(7)

 

2.2 鱼尾分析

(1)鱼尾速度计算

首先,根据图片,我们可以知道rbt​的表达式如下

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(8)

 

其中,r代表了从b点到t点的距离。

 

其次,我们计算鱼尾的速度和加速度,如下:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(9)

 

其中,e3=[0,0,1]T

 

(2)鱼尾受力分析

鱼尾受到来自鱼头的−F的力,以及−M的力矩。利用牛顿欧拉方程:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(10)

 

进一步整理,可得:

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(11)

 

到这里,我们可以通过联立(1)和(2)方程,求解由尾巴运动,造成的鱼头加速度了。

 

Note. 如果对这些公式接受起来还有困难的话,读者可以移步:

 

机器人动力学建模之刚体动力学基础学习

机器人动力学建模之牛顿欧拉法推导

关于机器人运动学与动力学建模的几点领悟

 

3 MATLAB代码实现

以下代码,完全按照上述公式进行复现。

 

clc;
clear all;
close all;

% 物理参数——鱼头
mb = 1.0;
Jb = 0.01;
% 物理参数——鱼尾
mt = 0.2;
Jt = 0.001;
r = 0.1;
% 关节运动
theta = 0;
dtheta = 0;
ddtheta = 0;
a = pi*2;
b = pi/4;
% 运动状态
Vb = zeros(3,1);
dVb = zeros(3,1);
Wb = zeros(3,1);
dWb = zeros(3,1);
Vt = zeros(3,1);
dVt = zeros(3,1);
Wt = zeros(3,1);
dWt = zeros(3,1);
Yaw = 0;
Pos = zeros(3,1);
% 阻力系数
CFb = 10*[0.1; 0.01; 0];
CMb = [0; 0; 1];
CFt = [0.1; 0.1; 0.1];
% 力
F = zeros(3,1);
M = zeros(3,1);
% 其他辅助变量
e3 = [0;0;1];
time = [];
The = [];
Vel = [];
WVel = [];
Poslist = [];
Flist = [];
Mlist = [];
%% 主要仿真过程
for t = 0:0.01:20
	% 给定关节运动
    theta = b*cos(a*t);
    dtheta = -a*b*sin(a*t);
    ddtheta = -a*a*b*cos(a*t);
    r_bt = r*[cos(theta);sin(theta);0];
    % 鱼尾速度
    Wt = Wb + dtheta*e3;
    Vt = Vb + cross(Wt,r_bt);
    % 鱼尾加速度
    dWt = dWb + ddtheta*e3;
    dVt = dVb + cross(Wt,Vb) + cross(dWt,r_bt)+cross(Wt,cross(Wt,r_bt));
    % 力
    F = -mt*dVt;
    M = cross(r_bt, F) - Jt*dWt - cross(Wt, Jt*Wt);
    % 计算阻力
    Fdb = -0.5*CFb.*[sign(Vb(1))*Vb(1)*Vb(1); sign(Vb(2))*Vb(2)*Vb(2); sign(Vb(3))*Vb(3)*Vb(3)];
    Mdb = -0.5*CMb.*[sign(Wb(1))*Wb(1)*Wb(1); sign(Wb(2))*Wb(2)*Wb(2); sign(Wb(3))*Wb(3)*Wb(3)];
    Fdt = -0.5*CFt.*[sign(Vt(1))*Vt(1)*Vt(1); sign(Vt(2))*Vt(2)*Vt(2); sign(Vt(3))*Vt(3)*Vt(3)];
    % 分析头部连杆,计算鱼头加速度
    dVb = (F+Fdb-mb*cross(Wb, Vb))/mb;
    dWb = (M+Mdb-cross(Wb,Jb*Wb))/Jb;
	% 鱼头速度更新
    Vb = Vb + dVb*0.01;
    Wb = Wb + dWb*0.01;
    % 鱼头位置更新
    Yaw = Yaw + Wb(3)*0.01;
    R = [cos(Yaw), -sin(Yaw), 0;
            sin(Yaw), cos(Yaw), 0;
            0, 0, 1];
    Vw = R*Vb;
    Pos = Pos + Vw*0.01;
   % 收集数据
    time = [time, t];
    Poslist = [Poslist, Pos];
    Flist = [Flist, F];
    Mlist = [Mlist, M];
    Vel = [Vel, Vb];
    WVel = [WVel, Wb];
end

%% 绘图
figure(1)
subplot(3,2,1)
title('力');
hold on
plot(time, Flist(1,:),'r')
ylabel('X')
grid on
subplot(3,2,3)
plot(time, Flist(2,:),'g')
ylabel('Y')
grid on
subplot(3,2,5)
plot(time, Flist(3,:),'b')
ylabel('Z')
grid on
subplot(3,2,2)
title('力矩');
hold on
plot(time, Mlist(1,:),'r')
ylabel('X')
grid on
subplot(3,2,4)
plot(time, Mlist(2,:),'g')
ylabel('Y')
grid on
subplot(3,2,6)
plot(time, Mlist(3,:),'b')
ylabel('Z')
grid on

figure(2)
subplot(3,2,1)
title('速度');
hold on
plot(time, Vel(1,:),'r')
ylabel('X')
grid on
subplot(3,2,3)
plot(time, Vel(2,:),'g')
ylabel('Y')
grid on
subplot(3,2,5)
plot(time, Vel(3,:),'b')
ylabel('Z')
grid on
subplot(3,2,2)
title('角速度');
hold on
plot(time, WVel(1,:),'r')
ylabel('X')
grid on
subplot(3,2,4)
plot(time, WVel(2,:),'g')
ylabel('Y')
grid on
subplot(3,2,6)
plot(time, WVel(3,:),'b')
ylabel('Z')
grid on

figure(3)
plot(Poslist(1,:),Poslist(2,:))
grid on
axis equal

 

4 仿真结果分析

4.1 鱼头固定,只摆动鱼尾,推力的效果

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(12)

 

以上是力的曲线,可以看出总体上,X轴上的力有往负半轴偏移的趋势。说明,当鱼头不固定时,很有可能鱼尾的摆动会产生一定的前向力,但是有两次,分别是10s和35s的时候正向上出现了很大的力,也就是说,出现后向力的可能性也有,主要取决于鱼头当时的状态。

 

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(13)

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(14)

 

以上是速度和轨迹的图线,可以看到,鱼头是忽进忽退的,速度一会儿朝前,一会儿朝后。

 

综上,在这种情况下,并不能产生稳定的推力。

 

4.3 鱼头不固定,摆动鱼尾,考虑阻力

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(15)

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(16)

两连杆机器鱼的简单建模以及MATLAB仿真插图(17)

 

看到这里,是不是感叹,奇迹发生了!

 

考虑了阻力以后,X轴上的力往负半轴偏移了,速度也往负半轴方向增长,鱼游动的轨迹也成了一条直线。鱼顺利产生了推进力,和实验中观察到的现象是一致的。

 

究其原因,大概是,考虑阻力以后,鱼头的晃动变得可控,使得力始终保持在鱼体的轴线附近,从而产生了推进力!

 

5 小结

OK!

 

看到了这里,我们已经验证了,只考虑附加质量和阻力实际上确实可以产生推进力,而且阻力在这里起到了至关重要的作用。

 

但是阻力究竟是如何起作用的呢?

 

我也还在探索中,有了新发现再来更新吧!

 

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