一种新型仿生椭球形水下机器人的建模与性能评估

《IEEE Journal of Oceanic Engineering》：Modeling and Performance Evaluation of a Novel Bioinspired Ellipsoidal Underwater Robot

仿生自主水下机器人（AUV）的结构设计对其运动性能和抗压能力至关重要。本文通过计算流体动力学（CFD）模拟优化欧拉体结构（EUR），结合实验验证其直线、转向和下潜运动性能，结果表明EUR在灵活性、高效性及抗压性方面显著提升，为新型仿生水下机器人设计提供参数参考。

　　

摘要：

仿生自主水下航行器（AUV）多样的结构设计为海洋探索、生态与环境监测等领域带来了显著优势。合理的结构对于AUV的稳定和精确运行至关重要。本文通过结合计算流体动力学（CFD）和实际运动实验，评估了所提出的椭球形水下机器人（EUR）的整体性能。该机器人具有很强的适应性、灵活的运动能力以及较高的抗压能力。首先，通过CFD模拟优化了EUR的结构设计和运动方式，获得了有利的参数数据。随后，在相同条件下分析了不同型号的EUR推进系统，计算了其速度、推力和抗压指数。接下来，通过对动态性能的评估，优化了运动角度，从而提高了EUR运动的灵活性和效率。最后，通过一系列实验（包括直线运动、转向运动和潜水运动）验证了所提出EUR的整体性能。同时，对比实验也表明EUR的机动性得到了提升。本文采用的评估方法为机器人控制和状态估计提供了基于梯度的有利参数，为新型仿生水下机器人的设计提供了技术参考。

引言

海洋覆盖了地球表面的70%以上，富含生物和矿产资源，随着陆地资源的日益稀缺，海洋对人类发展的重要性日益凸显。然而，海洋环境的复杂性和不可预测性给水下作业带来了巨大挑战，因此需要开发水下机器人作为探索和工程作业不可或缺的工具[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。受自然生物启发的仿生机器人提升了运动效率、环境适应性和隐蔽性，使得复杂任务能够以更高的灵活性完成[6]、[7]。尽管如此，它们的控制和设计仍然具有挑战性，许多研究都集中在通过规则形状的结构设计来实现稳定运动。