Biomimetic underwater robots use lateral periodic oscillatory motion to propel forward, which is seen in most fishes known as body caudal fin (BCF) propulsion. The lateral oscillatory motion makes slender-bodied fish-like robots roll unstable. Unlike the case of human-engineered aquatic robots, many species of fish can stabilize their roll motion to perturbations arising from the periodic motions of propulsors. To first understand the origin of the roll instability, the objective of this paper is to analyze the parameters affecting the roll-angle stability of an autonomous fish-like underwater swimmer. Eschewing complex models of fluid-structure interaction, we instead consider the roll motion of a nonholonomic system inspired by the Chaplygin sleigh, whose center of mass is above the ground. In past work, the dynamics of a fish-like periodic swimmer have been shown to be similar to that of a Chaplygin sleigh. The Chaplygin sleigh is propelled by periodic torque in the yaw direction. The roll dynamics of the Chaplygin sleigh are linearized and around a nominal limit cycle solution of the planar hydrodynamic Chaplygin sleigh in the reduced velocity space. It is shown that the roll dynamics are then described as a nonhomogeneous Mathieu equation where the periodic yaw motion provides the parametric excitation. We study the added mass effects on the sleigh's linear dynamics and use the Floquet theory to investigate the roll stability due to parametric excitation. We show that fast motions of the model for swimming are frequently associated with roll instability. The paper thus sheds light on the fundamental mechanics that present trade-offs between speed, efficiency, and stability of motion of fish-like robots.


翻译:仿生水下机器人通过横向周期性振荡运动向前推进,这常见于大多数鱼类,称为身体尾鳍(BCF)推进模式。横向振荡运动使得细长体型的仿鱼机器人产生横摇失稳。与人工设计的水下机器人不同,许多鱼类能够稳定因推进器周期运动引起的扰动所产生的横摇运动。为初步理解横摇失稳的根源,本文旨在分析影响自主仿鱼水下航行器横摇角稳定性的参数。我们摒弃复杂的流固耦合模型,转而研究受Chaplygin雪橇启发(其质心位于地面之上)的非完整系统的横摇运动。已有研究表明,类鱼周期性游泳机器人的动力学特性与Chaplygin雪橇具有相似性。Chaplygin雪橇通过偏航方向的周期性力矩驱动。本文在约化速度空间中,对平面流体动力学Chaplygin雪橇的标称极限环解进行线性化处理,建立其横摇动力学方程。结果表明,横摇动力学可描述为非齐次Mathieu方程,其中周期性偏航运动提供了参数激励。我们研究了附加质量效应对雪橇线性动力学特性的影响,并利用Floquet理论分析参数激励下的横摇稳定性。研究表明,游泳模型的快速运动通常与横摇失稳相关。本文揭示了仿鱼机器人运动速度、效率与稳定性之间权衡的基础力学机制。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年11月28日
Arxiv
0+阅读 · 2023年11月28日
Arxiv
0+阅读 · 2023年11月23日
VIP会员
最新内容
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
4+阅读 · 6月23日
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月23日
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
4+阅读 · 6月23日
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员