Влияние хвостовых плавников на скорость водного робота, приводимого в движение внутренними подвижными массами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В данной работе представлено описание конструкции водного робота, движущегося по поверхности жидкости и приводимого в движение двумя внутренними подвижными массами. Корпус водного робота в сечении имеет форму симметричного крылового профиля с острой кромкой. На данном прототипе две внутренние массы перемещаются по окружностям и приводятся во вращение за счет одного двигателя постоянного тока и зубчатого механизма, передающего вращательный момент от двигателя к каждой массе. В качестве управляющего воздействия используются угловые скорости подвижных масс, а разработанная кинематическая схема передачи вращения от двигателя к подвижным массам позволяет реализовать вращение двух масс с равными по модулю угловыми скоростями, но при этом разным направлением вращения. А также на корпус данного робота имеется возможность устанавливать дополнительные хвостовые плавники различных форм и размеров. Также в работе для данного объекта представлены уравнения движения, записанные в форме уравнений Кирхгофа для движения твердого тела в идеальной жидкости, дополненные слагаемыми вязкого сопротивления. Представлено математическое описание дополнительных сил, действующих на гибкий хвостовой плавник. С разработанным прототипом робота проведены экспериментальные исследования по влиянию различных хвостовых плавников на скорость передвижения в жидкости. В данной работе на робота устанавливались хвостовые плавники одной формы и размеров, при этом обладающие разной жесткостью. Эксперименты проводились в бассейне с водой, над которым устанавливалась камера, на которую были получены видеозаписи всех экспериментов. Дальнейшая обработка видеозаписей позволила получить перемещения объекта, а также его линейные и угловые скорости. В работе показано различие в развиваемых роботом скоростях при движении без хвостового плавника, а также с хвостовыми плавниками, имеющими разную жесткость. Приведено сравнение развиваемых роботом скоростей, полученных в экспериментальных исследованиях, с результатами математического моделирования системы.

Об авторах

А. В. Клековкин

Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.v.klekovkin@istu.ru
Россия, 150003, г. Ярославль, ул. Советская, д. 14

Ю. В. Караваев

Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова

Email: karavaev_yury@istu.ru
Россия, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7

А. А. Килин

Уральский математический центр, Удмуртский государственный университет

Email: kilin@rcd.ru
Россия, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, д. 1

А. В. Назаров

Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова

Email: antonnaz14@gmail.com
Россия, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7

Список литературы

  1. А. А. Килин, А. И. Кленов, В. А. Тененев, “Управление движением тела с помощью внутренних масс в вязкой жидкости”, Компьютерные исследования и моделирование, 10:4 (2018), 445–460 [A. A. Kilin, A. I. Klenov, V. A. Tenenev, “Controlling the movement of the body using internal masses in a viscous liquid”, Computer Research and Modeling, 10:4 (2018), 445–460 (in Russian)].
  2. В. В. Козлов, Д. А. Онищенко, “О движении в идеальной жидкости тела, содержащего внутри себя подвижную сосредоточенную массу”, ПММ, 67:4 (2003), 620–633; V. V. Kozlov, D. A. Onishchenko, “The motion in a perfect fluid of a body containing a moving point mass”, J. Appl. Math. Mech., 67:4 (2003), 553–564.
  3. В. В. Козлов, С. М. Рамоданов, “О движении изменяемого тела в идеальной жидкости”, ПММ, 65:4 (2001), 592–601; V. V. Kozlov, S. M. Ramodanov, “The motion of a variable body in an ideal fluid”, J. Appl. Math. Mech., 65:4 (2001), 579–587.
  4. М. А. Эладави, Ю. Л. Караваев, “Анализ конструкций подводных роботов”, Вестник ИжГТУ им. М. Т. Калашникова, 26:1 (2023), 35–47 [M. A. Eladawy, Yu. L. Karavaev, “Analysis of underwater robot designs”, Vestnik IzhGTU im. M. T. Kalashnikova, 26:1 (2023), 35–47 (in Russian)].
  5. G. Antonelli, Underwater Robots, Springer, Cham, 2014, 279 pp.
  6. N. N. Bolotnik, T. Yu. Figurina, F. L. Chernous’ko, “Optimal control of the rectilinear motion of a two-body system in a resistive medium”, Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 76:1 (2012), 1–14.
  7. A. V. Borisov, I. S. Mamaev, E. V. Vetchanin, “Dynamics of a smooth profile in a medium with friction in the presence of parametric excitation”, Regular and Chaotic Dynamics, 23:4 (2018), 480–502.
  8. A. V. Borisov, E. V. Vetchanin, A. A. Kilin, “Control of the motion of a triaxial ellipsoid in a fluid using rotors”, Mathematical Notes, 102:4 (2017), 455–464.
  9. N. V. Burmasheva, E. Yu. Prosviryakov, “Exact solutions to the Navier–Stokes equations for describing the convective flows of multilayer fluids”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 18:3 (2022), 397–410.
  10. M. L. Castano, T. Xiaobo, “Model predictive control-based path-following for tail-actuated robotic fish”, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 141:7 (2019), 11 pp.
  11. S. Childress, S. E. Spagnolie, T. Tokieda, “A bug on a raft: recoil locomotion in a viscous fluid”, J. Fluid Mech., 669 (2011), 527–556.
  12. W. S. Chu, K. T. Lee, S. H. Song, M. W. Han, J. Y. Lee, H. S. Kim, M. S. Kim, Y. J. Park, K. J. Cho, S. H. Ahn, “Review of biomimetic underwater robots using smart actuators”, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 13:7 (2012), 1281–1292.
  13. S. V. Guvernyuk, Ya. A. Dynnikov, G. Ya. Dynnikova, T. V. Malakhova, “The contribution of added mass force to formation of propulsive force of flapping airfoil in viscous fluid”, Technical Physics Letters, 46:9 (2020), 847–850.
  14. A. P. Ivanov, “Vibroimpact mobile robot”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 17:4 (2021), 429–436.
  15. Yu. L. Karavaev, “Spherical robots: an up-to-date overview of designs and features”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 18:4 (2022), 709–750.
  16. Yu. L. Karavaev, A. A. Kilin, A. V. Klekovkin, “Experimental investigations of the controlled motion of a screwless underwater robot”, Regular and Chaotic Dynamics, 21:7–8 (2016), 918–926.
  17. Yu. L. Karavaev, A. V. Klekovkin, I. S. Mamaev, V. A. Tenenev, E. V. Vetchanin, “Simple physical model for control of a propellerless aquatic robot”, J. Mechanisms Robotics, 14:1 (2021), 011007, 11 pp.
  18. A. V. Klekovkin, Yu. L. Karavaev, I. S. Mamaev, “The control of an aquatic robot by a periodic rotation of the internal flywheel”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 19:2 (2023), 265–279.
  19. A. I. Klenov, A. A. Kilin, “Influence of vortex structures on the controlled motion of an above-water screwless robot”, Regular and Chaotic Dynamics, 21:7–8 (2016), 927–938.
  20. L. A. Klimina, S. A. Golovanov, M. Z. Dosaev, Y. D. Selyutskiy, A. P. Holub, “Plane-parallel motion of a trimaran capsubot controlled with an internal flywheel”, International Journal of Non-Linear Mechanics, 150 (2023), 104341.
  21. O. S. Kotsur, G. A. Shcheglov, I. K. Marchevsky, “Approximate weak solutions to the vorticity evolution equation for a viscous incompressible fluid in the class of vortex filaments”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 18:3 (2022), 423–439.
  22. M. J. Lighthill, “Large-amplitude elongated-body theory of fish locomotion”, Proc. R. Soc. Lond. B, 179 (1971), 125–138.
  23. I. S. Mamaev, V. A. Tenenev, E. V. Vetchanin, “Dynamics of a body with a sharp edge in a viscous fluid”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 14:4 (2018), 473–494.
  24. V. A. Mamaev, E. V. Vetchanin, “The self-propulsion of a foil with a sharp edge in a viscous fluid under the action of a periodically oscillating rotor”, Regular and Chaotic Dynamics, 23:7–8 (2018), 875–886.
  25. A. N. A. Mazlan, E. McGookin, “Modelling and control of a biomimetic autonomous underwater vehicle”, 2012 12th International Conference on Control Automation Robotics & Vision (ICARCV), IEEE, 2012, 88–93.
  26. B. Pollard, P. Tallapragada, “An aquatic robot propelled by an internal rotor”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 22:2 (2016), 931–939.
  27. A. Savitzky, M. J. E. Golay, “Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures”, Analytical Chemistry, 36:9 (1964), 1627–1639.
  28. I. V. Semernik, O. V. Bender, A. A. Tarasenko, C. V. Samonova, “Analysis and simulation of BER performance of chaotic underwater wireless optical communication systems”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 19:1 (2023), 137–158.
  29. K. G. Shvarts, “Plane-parallel advective flow in a horizontal layer of incompressible permeable fluid”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 19:2 (2023), 219–226.
  30. P. Tallapragada, S. D. Kelly, “Dynamics and self-propulsion of a spherical body shedding coaxial vortex rings in an ideal fluid”, Regular and Chaotic Dynamics, 18:1–2 (2013), 21–32.
  31. M. S. Triantafyllou, G. S. Triantafyllou, D. K. P. Yue, “Hydrodynamics of fishlike swimming”, Annual Review of Fluid Mechanics, 32:1 (2000), 33–53.
  32. E. V. Vetchanin, A. A. Kilin, “Free and controlled motion of a body with a moving internal mass through a fluid in the presence of circulation around the body”, Doklady Physics, 61:1 (2016), 32–36.
  33. E. V. Vetchanin, A. R. Valieva, “Analysis of the force and torque arising during the oscillatory motion of a Joukowsky foil in a fluid”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 2023.
  34. L. Y. Vorochaeva (Volkova), S. F. Jatsun, “Control of the three-mass robot moving in the liquid environment”, Rus. J. Nonlin. Dyn., 7:4 (2011), 845–857.
  35. J. Wang, X. Tan, “A dynamic model for tail-actuated robotic fish with drag coefficient adaptation”, Mechatronics, 23:6 (2013), 659–668.
  36. Y. W. Wang, J. B. Tan, B. T. Gu, P. F. Sang, D. B. Zhao, “Design and modeling of a biomimetic stingraylike robotic fish”, Advanced Materials Research, 945–949 (2014), 1473–1477.
  37. T. Zou, X. Jian, M. Al-Tamimi, X. Wu, J. Wu, “Development of a low-cost soft robot fish with biomimetic swimming performance”, Journal of Mechanisms and Robotics, 16:6 (2024), 14 pp.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».