Разработка и исследование подводных рыбоподобных роботов с биоморфными движителями на основе тунниформного типа локомоции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Митин Илья Васильевич

• Митин Илья Васильевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Митин Илья Васильевич

Введение

1 Обзор кинематики плавания гидробионтов

1.1 Описание принципов плавания рыб

1.2 Строение опорно-двигательного аппарата рыб

1.3 Эффективность плавания гидробионтов

1.4 Приспособления для улучшения эффективности плавания

1.5 Плавание в условиях турбулентности

1.6 Построение теоретической модели плавания рыбоподобного робота

2 Разработка подводных рыбоподобных роботов, механическая часть, электронная часть, программное обеспечение

2.1 Биоморфный рыбоподобный движитель

2.2 Электрический привод выбор и обоснование

2.3 Проектирование корпуса биоморфного робота

2.4 Проектирование устройств маневрирования

2.5 Схема управления биоморфным роботом

2.6 Проектирование электронной части биоморфного робота

2.7 Разработка программного обеспечения биоморфного робота

2.8 Поэтапное развитие моделей рыбоподобных роботов

3 Экспериментальное исследование кинематики плавания рыбоподобного робота

3.1 Устройство испытательного стенда

3.2 Методика проведения испытаний

3.3 Протокол эксперимента

3.4 Результаты имитации биоморфной локомоции

3.5 Сводная характеристика кинематики биоморфного робота

3.6 Численное моделирование кинематики плавания биоморфного робота

3.7 Исследование зависимости скорости от частоты взмахов хвоста

3.8 Исследование энергопотребления привода биоморфного робота

Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А Программа для ЭВМ «Удаленное управление режимами плавания биоморфного робота»

Приложение Б Программа для микроконтроллера «Обработка и передача управляющего сигнала по радио»

Приложение В Программа для микроконтроллера «Управление роботом-рыбой с дистанционным заданием режимов плавания»

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование подводных рыбоподобных роботов с биоморфными движителями на основе тунниформного типа локомоции»

Актуальность темы исследования

За миллионы лет существования в разнообразном и часто враждебном мире гидробионты развили механизмы локомоции, зачастую превосходящие достижения современной океанологии и судостроения. Гидробионты плывут согласно отточенным эволюцией паттернам движения изгибая свои обтекаемые тела что бы использовать различные гидродинамические принципы для своей выгоды. Это позволяет им добиться необычайного ускорения и маневренности при высокой энергоэффективности.

Достоверно установлено, что пойманный на леску желтоперый тунец способен разматывать ее со скоростью не менее 74 км/ч, что позволяет судить о развиваемой рыбой скорости плавания. Рыбы, охотящиеся из засады, такие как щука или мурена не способны к длительному плаванию с большой скоростью, что вынуждает их подстерегать добычу, соответственно число встреч с жертвами у них ограничено. Однако, совершая короткие броски щука может развивать ускорение до 195 м/с2 (20g), что позволяет ей успешно ловить добычу в 70-80% случаев. Рыбы, соседствующие с хищниками вынуждены развивать необычайную маневренность и ловкость, так они способны изменять направление движения не снижая скорость, при радиусе поворота от 0,1 до 0,3 длины их тела. Тогда как для надводных судов характерный радиус поворота составляет от одной до трех длин корпуса, а для маневрирования скорость снижают более чем на 50 %.

Освоение биоморфных движителей потенциально может принести огромную выгоду, однако даже сейчас проведено недостаточно работ по созданию создания рабочих прототипов рыбоподобных движителей, которые могли бы получить широкое применение в подводных и надводных судах.

Тем не менее, несмотря на огромные потенциальные выгоды, было проведено относительно мало работ для исследования и создания рабочих

прототипов биоморфных рыбоподобных движителей, которые могли бы получить широкое применение в подводных и надводных судах.

Сложно переоценить коммерческую пользу от внедрения новых типов движителей, поскольку современный объем морских перевозок огромен и ведется борьба даже за доли процента экономии топлива. При этом в случае воспроизводства необычайной маневренности гидробионтов удастся снизить количество аварий и повысить безопасность перевозок.

Степень разработанности темы исследования

Подводные рыбоподобные роботы с тунниформным типом движителя являются подмножеством более широкого класса подводных роботов использующих биоморфный тип движений. Подводные биоморфные роботы представляют современное активно развивающееся направление исследований. В качестве биологических прототипов для биоморфных роботов обычно рассматривают рыб с карангиформным и тунниформным типом локомоции (работы W.M. Megill, M.S. Triantafyllou, Z. Rusák, D. Romano). Ряд работ посвящен созданию роботов с угревидным типом локомоции (работы D.Floreano, J.-X. Xu) и со скатообразным типом локомоции (работы Y. Cao, S. Cinquemani, W. Cui). Значительно меньше публикаций посвященных биоморфным роботам на основе других гидробионтов - каракатиц (работы E. Arslan, Z. Wang), медуз (работы M.F. Stoelen, Y. Tadesse) и кальмаров (работы Y. Toda)

Исследователи так же рассматривают задачу по созданию рыбоподобных роботов, управляемых центральным генератором упорядоченной активности CPG (C. Rossi, Zheng Li, G. O. Koca).

Цели и задачи работы

Целью данной работы является создание подводных рыбоподобных роботов с биоморфными движителями на основе тунниформного типа локомоции и последующее исследование их динамических характеристик для повышения энергоэффективности.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие ключевые задачи:

• Анализ и синтез механизмов, обеспечивающих биоморфное движение, и разработка конструкции прототипов подводного рыбоподобного робота.

• Создание натурных образцов робота, разработка печатных плат, электронного оборудования и программного обеспечения для рыбоподобного робота.

• Разработка алгоритма управления движением в жидкости подводного робота на базе предложенной математической модели.

• Разработка методик эксперимента и испытательного стенда для изучения динамических характеристик рыбоподобного робота.

• Изучение динамических характеристик плавания и технических характеристик рыбоподобного робота, определение оптимальных режимов плавания.

Объектом исследования является биоморфный движитель подводного рыбоподобного робота.

Предметом исследования являются методы повышения энергоэффективности подводных рыбоподобных роботов за счёт оптимизации параметров биоморфного движителя воспроизводящего тунниформный тип локомоции.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке оригинальной конструкции робота с биоморфным движителем. Это позволило обогатить существующую научную концепцию биоморфной робототехники новыми разработками и результатами их испытаний. Из важнейших научных результатов можно выделить следующие:

1. Предложен принцип построения нового биоморфного движителя, отличающегося от известных решений применением сервопривода и двух упругих элементов для реализации тунниформного типа локомоции.

2. Предложен метод управления направлением движения подводного робота, основанный на принципах биоморфности.

3. Установлена зависимость между частотой, амплитудой взмахов хвостового плавника и скоростью биоморфного робота.

4. Предложена методика выбора параметров биоморфного плавания для повышения его энергоэффективности.

Теоретическая и практическая значимость исследования

Использование биоморфных рыбоподобных движителей предлагает несколько потенциальных преимуществ относительно классических движителей таких как гребные винты и водометы.

Во-первых, высокие рабочие частоты гребных винтов создают в воде множество возмущений. Это порождает акустическое загрязнение, борьба с которым для, например подводных лодок является одной из приоритетных задач при создании движителя. Так же высокие рабочие частоты порождают проблему кавитационной эрозии винтов [1]. За счет вибронагруженности и больших перепадов давления на гребном винте в жидкости образуются полости (кавитационные пузырьки), заполненные паром. Разрушение пузырьков сопровождается гидравлическим ударом, который и является причиной кавитационной эрозии — энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Биоморфные движители требуют гораздо более низких рабочих частот что позволяет избежать перечисленных выше проблем.

Во-вторых, гребные винты и водометы активно засасывают в себя подводные препятствия и гидробионтов, тогда как биоморфные движители с колебательным принципом работы отталкивают препятствия от своего корпуса, а не запутываются в них.

В-третьих, основным преимуществом биоморфных движителей по сравнению с традиционными является их потенциальная энергоэффективность. Лабораторные эксперименты показали, что энергоэффективность рыбоподобных движителей может достигать 87% [2], что значительно выше, чем при

использовании небольших гребных винтов 40% [3]. Гребные винты страдают от потерь энергии из-за паразитных завихрений потока воды позади винта. Кроме того, на вращающийся вал необходимо оказывать давление при помощи дейдвудного устройства, чтобы предотвратить просачивание воды в корпус судна, что приводит к потерям энергии из-за трения [4]. Давление, которое необходимо оказывать на вал, и, следовательно, потери энергии становятся особенно большими, при работе на больших глубинах. Биоморфные движители с колебательным принципом работы не имеют вращающихся частей, находящихся в непосредственном контакте с водой, и поэтому не страдают от этой проблемы. Вдобавок ко всему, биоморфные движители могут использовать энергию из завихрений в создаваемым ими следе. Особенно перспективным видится использование биоморфных движителей для автономных подводных аппаратов поскольку крайние ограничения по хранению энергии на борту требуют применения движителей, более эффективных, чем используемые сейчас гребные винты.

Биоморфная робототехника может имитировать живые объекты не только в части кинематики движений, но и в части управляющих систем. Разработка биоморфных роботов позволяет получить базу для испытаний компактных и энергоэффективных нейроморфных управляющих систем на основе новой ЭКБ (мемристоров и мемристивных систем) [5; 6; 7].

Вышеупомянутые преимущества [8] побудили исследователей разрабатывать биоморфных рыбоподобных роботов для таких приложений, как помощь в обслуживании морских нефтяных объектов, исследование экологии [9], изучение роли социальных роботов в лечении тревоги рыб [10], изучение коллективного поведения рыб [11], отслеживание реальных рыб или подводных аппаратов [12], и мониторинг качества воды [13].

Методология и методы исследования

Экспериментальные исследования проводились в лабораторном бассейне с использованием системы захвата движения. Полученные фото- и видеоматериалы

вводились и обрабатывались на персональном компьютере с использованием программных комплексов Python, Mathlab, а также DeepLabCut. Программное обеспечение для управляющих роботами микроконтроллеров разрабатывалось на языке программирования Си++.

Положения, выносимые на защиту

1. Принцип построения нового биоморфного движителя, на основе сервопривода и двух упругих элементов, обеспечивающий тунниформный тип локомоции рыбоподобного робота.

2. Метод управления направлением движения подводного робота на основе биоморфного движителя.

3. На основании экспериментальных исследований и численного моделирования установлена зависимость между частотой, амплитудой взмахов хвостового плавника и скоростью биоморфного робота.

4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие повышение энергоэффективности плавания при использовании предложенных методов выбора параметров движения хвостового плавника.

Степень достоверности полученных результатов

Научная обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждается согласованностью результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными исследований кинематики плавания биоморфных роботов. Для проведения экспериментальных исследований использовались современные измерительные комплексы. Достоверность изложенных в диссертационной работе результатов подтверждается сопоставлением с результатами исследований отечественных и зарубежных авторов в данной области, а также научной экспертизой на конференциях и при публикации материалов в рецензируемой научной печати.

Публикации и апробация работы

Результаты работы опубликованы в журналах: Biomimetics (2022), Interactive Collaborative Robotics (2022), Робототехника и техническая

кибернетика (2023, 2024). Основные результаты по теме диссертации изложены в 8 научных работах, включая 4 статьи в международных журналах и журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК, 4 статьи в трудах конференций, а так же свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Основные результаты диссертации докладывались на российских и международных конференциях, включая: Volga Neuroscience Meeting (Н. Новгород, 2021, 2023), 74-я Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Н. Новгород, 2021), XXVI Нижегородская сессия молодых ученых (Н. Новгород, 2021), а также на семинарах кафедры нейротехнологий биологического факультета, Института биологии и биомедицины ННГУ.

Разработка нейроморфных управляющих систем используемых в управлении биоморфным роботом осуществляется в рамках проекта «Мемристивные оксидные наноматериалы для энергонезависимой резистивной памяти и нейроморфных устройств» (Федеральный проект «Развитие человеческого капитала в интересах регионов, отраслей и сектора исследований и разработок» национального проекта «Наука и университеты», Дополнительное соглашение к Соглашению о предоставлении субсидии из федерального бюджета на финансовое обеспечение выполнения государственного задания на оказание государственных услуг (выполнение работ) № 075-03-2022-113/8 от 08.11.2022 г., шифр FSWR-2022-0009 (НИЛ «Лаборатория мемристорной наноэлектроники»), 2022-2024 гг.), руководитель Михайлов А.Н.

Личный вклад автора

Соискателем разработаны прототипы биоморфных роботов, программное обеспечение для управления роботами; проведены натурные эксперименты и обработаны их результаты. В совместных публикациях автор принимал непосредственное участие в постановке, решении задачи и в обсуждении результатов. Автор играл ключевую роль в получении всех данных и результатов, приведенных в статьях, кроме числового моделирования.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертационная работа выполнена в соответствии с паспортом специальности ВАК 2.5.4. «Роботы, мехатроника и робототехнические системы» по пунктам:

- п.2 Теория и методы создания роботов и мехатронных устройств на основе новых физических эффектов и явлений, принципы и методы их построения для различных условий и сред применения.

- п.4 Математическое и полунатурное моделирование мехатронных и робототехнических систем, включая взаимодействие со средой, анализ их характеристик, оптимизация и синтез по результатам моделирования.

- п.7 Методы экспериментального исследования, создания прототипов и экспериментальных стендов и модульных платформ для разработки роботов, робототехнических и мехатронных систем.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 144 страницы, включая 67 рисунков, одну таблицу, три приложения, 165 наименований цитируемой литературы, 8 научных публикаций по теме диссертации (из них 4 статьи в реферируемых изданиях).

1 Обзор кинематики плавания гидробионтов 1.1 Описание принципов плавания рыб

Плавание всех рыб можно разделить на два больших типа локомоции, по частям тела, используемым для создания гидродинамической силы [14].

Локомоция при помощи хвостового плавника Рисунок 1 а) генерирует гидродинамическую силу за счет колебаний тела и хвостового плавника. Такой механизм позволяет достичь максимальной скорости прямолинейного движения.

Локомоция при помощи парных и непарных плавников Рисунок 1 б) генерирует гидродинамическую силу перемещая различные сочетания плавников, кроме хвостового. Такой механизм позволяет маневрировать с малым радиусом поворота и менять ориентацию в пространстве в широком диапазоне.

Рисунок 1 - Классификация типов локомоции рыб [15;16], цветом выделены

части, где происходят взмахи плавников

Рыбы, реализующие локомоцию при помощи хвостового плавника, плавают, изгибая тело, создавая бегущую волну, распространяющуюся назад. Степень вовлеченности тела в волнообразное движение отличается у разных рыб,

в связи с чем была создана классификация, основанная на образцовых видах [17; 18] Рисунок 3. Например, тип локомоции угря называется ангилиформный в честь рода угрей Anguilla и используется для обозначения рыб, у которых во время движения присутствуют колебания большей части длинны тела, обычно с почти полной длиной волны, присутствующей на теле в любой момент времени

[19; 20].

Для проектирования биоморфного движителя, в качестве биологического прототипа был выбран тунниформный тип локомоции, названый в честь тунцов (Thunnus) характеризующийся тем, что во время движения присутствуют значительные колебания хвостового плавника и относительно небольшими боковыми колебаниями тела [21; 22].

Другие основные категории волнообразного движения включают карангиформный тип локомоции (до одной полуволны на теле) и субкарангиформный тип локомоции (более одной полуволны, но менее одной полной волны).

При этом для различных типов локомоции характерны определенные преимущества и недостатки. Так тунниформный тип локомоции обладает высокими тяговыми характеристиками, а ангилиформный тип обладает повышенной маневренностью. Целью данной работы является разработка робота с высокими показателями скорости и эффективности плавания, поэтому исследуются детали тунниформного режима плавания [8].

Контуры плавающих рыб Рисунок 2 показаны со смещением, чтобы проиллюстрировать движение вперед, в то время как средние линии через равные промежутки времени во время взмаха хвоста наложены ниже и выровнены на кончике морды. Средняя линия в отдельный момент времени выделена отдельным цветом. Представлены: ангилиформный тип локомоции, основанный на угре (Anguilla), субкарангиформный тип локомоции, основанный на окуне (Lepomis), карангиформный тип локомоции, основанный на скумбрии (Scomber), и тунниформный тип локомоции, основанный на малом тунце (Euthynnus).

Все рыбы имели общую длину от 20 до 25 см (Ь) и плавали с одинаковой скоростью от 1,6 до 1,8 длинны тела в секунду. Указанно время продолжительности биения хвоста.

Тунниформный 1.8 дл. тела/с ,

0.22 с

Карангиформный 1.8 дл. тела/с

0.22 с

СубкарангифармныС 1.6 дл. тела/с

0.27 с:

Ангилиформный 1.8 дл. тела/с

0.26 с

Рисунок 3 - Четыре типа локомоции при помощи хвостового плавника, проиллюстрированные контурами и средними линиями рыб, изменено из [23]

Разделение локомоции при помощи хвостового плавника на четыре типа ярко выражено при движении высокой скоростью. При медленных скоростях плавания, особенно при скорости менее 1,0 длинны тела в секунду общей характеристикой локомоции при помощи хвостового плавника является то, что передние колебания тела минимальны [24]. Например, на Рисунке 3 показано сравнение большеротого окуня и американского угря, иллюстрирующие их сходство на низких скоростях и увеличение боковых колебаний по мере увеличения скорости [24]. Задействование все большей передней мускулатуры с увеличением скорости приводит к более сильным колебаниям передней части тела. На медленных скоростях не происходит напряжения передних миотомальных мышц, не происходит сгибания тела и, следовательно, в передней половине тела не происходит работы по обеспечению движения.

Рисунок 4 - Сравнение большеротого окуня и американского угря,

изменено из [23]

На Рисунке 5 представлено: a) Внешний вид большеротого окуня (Micropterus salmoides); б), в) Средние линии, во время устойчивого плавания большеротого окуня со скоростью 0,7 и 2,4 длинны тела в секунду. На медленной скорости изгиб тела ограничивается задней половиной тела, но на более высоких скоростях голова начинает колебаться в стороны; г) Внешний вид американского угря (Anguilla rostrata); д) Средние линии угря, равномерно плавающего со скоростью 0,5 длинны тела в секунду. Последовательные средние линии на всех графиках расположены равномерно по времени в течение полуцикла ударов хвоста. Z — боковое отклонение в % длины тела (L); X — расстояние вдоль тела, L.

1.2 Строение опорно-двигательного аппарата рыб

Волнообразное движение и входной сигнал

Взаимосвязь между волнообразным движением и входным сигналом у рыб, находящихся в устойчивом плавании, была рассмотрена в [25]. Волнообразные движения возникают за счет сокращения мышц с обеих сторон тела. Левая и правая мышцы при находящиеся на одинаковой длине тела сокращаются поочередно, при этом мышцы, расположенные на одной стороне тела, сокращаются последовательно, по мере их расположения от головы к хвосту. Сокращение мышц создает изгибающий момент в позвонках, который заставляет тело сгибаться, и вызывает волнообразные движения с увеличением амплитуды от головы к хвосту.

Мышечное напряжение и межпозвонковый изгиб

Сокращение мышц и искривление тела увеличиваются от головы к хвосту, что соответствует возрастающей от головы к хвосту боковой амплитуде волнообразных движений. Мышечную нагрузку у скумбрии измеряли методом ультразвуковой микрометрии и рассчитывали по изгибу тела. Мышечная нагрузка скумбрии составляла около 4% при 0,3 длинны тела и линейно возрастала от головы к хвосту, достигая максимума около 8% при 0,8 длинны тела. С другой стороны, кривизна и латеральная амплитуда волнообразного движения возрастали квадратично назад [26].

Строение красной мышцы рыб.

У скумбрии мышечные волокна делятся на два типа: красные, медленно сокращающиеся аэробные мышцы, и белые, быстро сокращающиеся анаэробные мышцы [27; 28]. Больший интерес представляет красная мышца, используемая для плавания в устойчивом состоянии.

Красная мышца скумбрии расположена сразу за кожей на высоте позвонка в горизонтальной плоскости. В этой же плоскости находится слой соединительной

ткани, называемый основной горизонтальной перегородкой (main horizontal septum) (ОГП), которая крепится к позвонкам. ОГП состоит из решетки двух типов сухожилий: передних косых сухожилий (ПКС) и задних косых сухожилий (ЗКС). В основной горизонтальной перегородке ПКС располагаются от позвонков сзади наружу к коже, тогда как ЗКС располагаются от позвонков спереди к коже. Соответствующие ПКС и ЗКС перекрываются вблизи кожи, образуя петлю ПКС -ЗКС.

Вестнит и др. предложили модель, в которой сокращение красных мышц передается позвонкам посредством петли ПКС - ЗКС [27]. Модель показана на Рисунке 4. В этой модели ЗКС соединяет красную мышцу с позвонками и действует как трос - сила сокращения красной мышцы передается позвонкам в виде натяжения с помощью ЗКС. ПКС играет роль балки, удерживающей красную мышцу и часть ЗКС на внешней стороне тела.

Рисунок 6 - Модель петли ПКС - ЗКС и красных мышц, изменено из [29]

В разработанной модели биоморфного движителя в качестве ЗКС выступают тяги из стальных тросиков, а в качестве сокращающейся красной мышцы - сервопривод, последовательно натягивающий и расслабляющий тяги.

Роль ПКС удерживающих сокращающиеся тяги на внешней стороне тела играет маховик большого диаметра, передающий усилие от сервопривода к тягам.

1.3 Эффективность плавания гидробионтов

Основной целью разработки биоморфного рыбоподобного робота является создание эффективного движителя, способного превзойти такие традиционные движители как гребные винты и водометы. Эффективность плавания рыб и морских млекопитающих была объектом исследования многих ученых. Некоторые из их результатов и предположений приведены в этом разделе.

Парадокс Грэя

Дельфины, плавают с впечатляющей грацией и кажущейся легкостью, следуя за кораблями, идущими со скоростью 37 км/ч. В 1936 году британский зоолог Джеймс Грей провел расчеты силы необходимой дельфину для поддержания такой скорости. Оценив гидродинамическое сопротивление дельфина по его жесткой модели и силу, которую могли создавать мышцы дельфина Грей пришел к интересному результату. Его вывод, в дальнейшем названный парадоксом Грея, заключался в том, что сила дельфина примерно в семь раз меньше, чем требуется, чтобы плыть с такой скоростью. Неизбежным следствием является то, что вокруг тела движущегося дельфина действуют особенности течения, которые снижают его гидродинамическое сопротивление в семь раз.

Спустя более 80 лет после формулировки парадокса Грея, его так и не удалось окончательно подтвердить или опровергнуть. (Биологические и гидродинамические тесты, необходимые для научной достоверности, требуют точности, превосходящей современный уровень техники в обеих областях.) Тем не менее, парадокс породил многочисленные исследования что привело к накоплению значительного объема теоретических и экспериментальных результатов, связанных с механизмами плавания гидробионтов.

Если рыба является настолько эффективной плавательной машиной, как принято считать, ее основной двигатель (хвост) также должен быть весьма эффективным. Однако многие эксперименты, проведенные с механическими биоморфными движителями, показали низкую эффективность.

В судне с классическим движителем эффективность представляет собой отношение полезной мощности (идущей на поступательное движение), деленной на мощность, затрачиваемую двигателем на вращение вала гребного винта. В идеальных условиях вся мощность двигателя тратится на создание тяги, при этом коэффициент полезного действия составляет единицу. В реальных применениях часть затрачиваемой мощности выделяется в виде тепла за счет потерь на трение в подшипниках и дейдвудном устройстве, герметизирующем выход вала из корпуса корабля. К потерям, возникающим из-за трения, добавляется часть мощности двигателя, которая уходит на создание турбулентностей за гребным винтом.

Число Струхаля

Любой объект в потоке жидкости, будь то неподвижный круговой цилиндр, подводный аппарат или плывущая рыба оставляет за собой след из вращающихся вихрей. Поскольку неподвижный цилиндр создает сопротивление потоку, не изменяющееся со временем, за ним формируются регулярные вихревые структуры. Хвост рыбы движется в потоке толкая воду назад и создавая струю (столб движущейся жидкости, со скоростью и направлением отличными от основного потока), которая формирует вихри. Согласно исследованиям [3], именно благодаря этим вихрям и формируется тяга, а при условии их оптимального взаимного расположения эффективность плавания значительно возрастает.

В гидродинамике для описания возмущений потока, создаваемых неподвижным круговым цилиндром, используется параметр, известный как число Струхаля. Оно представляет собой произведение частоты образования вихрей за объектом и ширины следа, деленное на скорость потока. Число Струхаля

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Митин Илья Васильевич, 2025 год

Список литературы

1 Ju H-j, Choi J-s. Experimental Study of Cavitation Damage to Marine Propellers Based on the Rotational Speed in the Coastal Waters. Machines. 2022; 10(9):793.

2 J. Anderson, K. Streitlien, D. Barrett, M. Triantafyllou, Oscillating foils of high propulsive efficiency, J. Fluid Mech. 360 (1998) 41-72.

3 M.S. Triantafyllou, G.S. Triantafyllou, An efficient swimming machine, Scientific Am. 272 (3) (1995) 64-70.

4 Borras FX, van den Nieuwendijk R, Ramesh V, de Rooij MB, Schipper DJ. Stern tube seals operation: A practical approach. Advances in Mechanical Engineering. 2021;13(2).

5 A. Mikhaylov Neurohybrid Memristive CMOS-Integrated Systems for Biosensors and Neuroprosthetics / A. Mikhaylov, A. Pimashkin, Y. Pigareva, S. Gerasimova, E. Gryaznov, S. Shchanikov, A. Zuev, M. Talanov, I. Lavrov, V. Demin, V. Erokhin, S. Lobov, I. Mukhina, V. Kazantsev, H. Wu, B. Spagnolo // Frontiers in Neuroscience. - 2020. - Vol.14. - P.358.

6 V.A. Makarov Toward Reflective Spiking Neural Networks Exploiting Memristive Devices / V.A. Makarov, S.A. Lobov, S. Shchanikov, A. Mikhaylov, V.B. Kazantsev // Frontiers in Computational Neuroscience. - 2022. - Vol. 16. - P. 859874.

7 S.A. Lobov Spatial Computing in Modular Spiking Neural Networks with a Robotic Embodiment / S.A. Lobov, A.N. Mikhaylov, E.S. Berdnikova, V.A. Makarov, V.B. Kazantsev // Mathematics. - 2023. - Vol. 11, No. 1. - P. 234.

8 Митин И.В. Особенности конструкции и управления подводного биоморфного робота тунниформного типа / И.В. Митин, С. А. Лобов, Н.А. Щур, А.В. Попов, В.Б. Казанцев // Робототехника и техническая кибернетика - 2024 -Т. 12. - № 1 - С. 71-80.

9 D. Romano, G. Benelli, J. Hwang, C. Stefanini, Fighting fish love robots: mate discrimination in males of a highly territorial fish by using femalemimicking robotic cues, Hydrobiologia 833 (2019) 185-196.

10 D. Romano, C. Stefanini, Robot-fish interaction helps to trigger social buffering in neon tetras: The potential role of social robotics in treating anxiety, Int. J. Soc. Robot. (2021).

11 D. Romano, C. Stefanini, Any colour you like: fish interacting with bioinspired robots unravel mechanisms promoting mixed phenotype aggregations, Bioinspiration Biomimetics (2022).

12 J. Yu, Z. Wu, X. Yang, Y. Yang, P. Zhang, Underwater target tracking control of an untethered robotic fish with a camera stabilizer, IEEE Trans. Syst. Man Cybern.: Syst. 51 (10) (2021) 6523-6534.

13 C. Kai, Z. Weiwei, D. Lu, Research on mobile water quality monitoring system based on underwater bionic robot fish platform, in: 2020 IEEE International Conference on Advances in Electrical Engineering and Computer Applications (AEECA), 2020, pp. 457-461.

14 Sfakiotakis, M.; Lane, D.; Davies, J. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion. IEEE J. Ocean. Eng. 1999, 24, 237-252.

15 Lindsey CC. (1978) Form, function and locomotory habits in fish. Fish Physiol 7

16 Colgate JE, Kevin ML (2004) Mechanics and control of swimming: a review. Ocean Eng IEEE J 29(3):660-673

17 Breder, C. M. (1926). The locomotion of fishes. Zoologica N. Y. 4, 159256.

18 Lindsey, C. C. (1978). Form, function, and locomotory habits in fish. In ''Fish Physiology. Vol. VII. Locomotion'' (Hoar, W. S., and Randall, D. J., Eds.), pp. 1-100. Academic Press, New York.

19 Gray, J. (1933). Studies in animal locomotion. I. The movement of fish with special reference to the eel. J. Exp. Biol. 10, 88-104.

20 Gillis, G. B. (1996). Undulatory locomotion in elongate aquatic vertebrates: Anguilliform swimming since Sir. James Gray. Amer. Zool. 36, 656-665.

21 Donley, J., and Dickson, K. A. (2000). Swimming kinematics of juvenile Kawakawa tuna (Euthynnus aYnis) and chub mackerel (Scomber japonicus). J. Exp. Biol. 203, 3103-3116.

22 Graham, J. B., and Dickson, K. A. (2004). Tuna comparative physiology. J. Exp. Biol. 207, 4015-4024.

23 Lauder, George V. and Eric D. Tytell. "Hydrodynamics of Undulatory Propulsion." Fish Physiology 23 (2005): 425-468.

24 Lauder, G. V. (2005). Locomotion. In ''The Physiology of Fishes'' (Evans, D. H., and Claiborne, J. B., Eds.). pp. 3-46. 3rd edn, CRC Press, Boca Raton, FL.

25 Shadwick, R.; Gemballa, S. Structure, Kinematics, Furthermore, Muscle Dynamics In Undulatory Swimming. Fish Physiol. 2005, 23, 241-280.

26 Donley, J.; Dickson, K. Swimming kinematics of juvenile Kawakawa Tuna (Euthynnus affinis) and Chub Mackerel (Scomber japonicus). J. Exp. Biol. 2000, 203, 3103-3116.

27 Westneat, M.; Hoese, W.; Pell, C.; Wainwright, S. The horizontal septum: Mechanisms of force transfer in locomotion of scombrid fishes (Scombridae, Perciformes). J. Morphol. 1993, 217, 183-204.

28 Westneat, M.; Wainwright, S. Mechanical design for swimming: Muscle, tendon, and bone. Fish Physiol. 2001, 19, 271-311.

29 Aragaki D, Nishimura T, Sato R, Ming A. Biomimetic Soft Underwater Robot Inspired by the Red Muscle and Tendon Structure of Fish. Biomimetics. 2023; 8(2):133.

30 C. M. Breder, "The locomotion of fish," Zoologica NY, vol. 4, pp. 159256, 1926.

31 Oxnard, Charles. (2009). Animal Locomotion. James Gray. American Anthropologist. 71. 358 - 360. 10.1525/aa.1969.71.2.02a00560.

32 James C. Liao; Neuromuscular control of trout swimming in a vortex street: implications for energy economy during the Karman gait. J Exp Biol 15 September 2004; 207 (20): 3495-3506. doi: https://doi.org/10.1242/jeb.01125

33 Tuhtan, Jeffrey & Fuentes-Pérez, Juan & Toming, Gert & Schneider, Matthias & Schwarzenberger, Richard & Schletterer, Martin & Kruusmaa, Maarja. (2018). Man-made flows from a fish's perspective: Autonomous classification of turbulent fishway flows with field data collected using an artificial lateral line. Bioinspiration & Biomimetics. 13. 10.1088/1748-3190/aabc79.

34 E. G. Drucker and J. S. Jensen, "Pectoral fin locomotion in the striped surfperch. I. Kinematic effects of swimming speed and body size," J. Exper. Biol., vol. 199, pp. 2235-2242, 1996.

35 G. V. Lauder and B. C. Jayne, "Pectoral fin locomotion in fish: Testing drag-based models using three-dimensional kinematics," Amer. Zool., vol. 36, pp. 567581, 1996.

36 H. Hertel, Structure, Form and Movement. New York: Reinhold, 1966.

37 G. V. Lauder, "Caudal fin locomotion in ray-finned fish: Historical and functional analyses," Amer. Zool., vol. 29, pp. 85-102, 1989.

38 L. Maddock "The biology of fish swimming," in Mechanics and Physiology of Animal Swimming, L. Maddock, Q. Bone, and J. M. V. Rayner, Eds. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 1994, pp. 45-62.

39 V. Arreola and M. W. Westneat, "Mechanics of propulsion by multiple fins: Kinematics of aquatic locomotion in the burrfish (Chilomycterus schoepfi)," Philos. Trans. Roy. Soc. London B, vol. 263, pp. 1689-1696, 1997.

40 G. V. Lauder, J. Nauen, and E. G. Drucker, "Experimental hydrodynamics and evolution: Function of median fins in ray-finned fishes," Integr. Compar. Biol., vol. 42, pp. 1009-1017, 2002.

41 G. V. Lauder and K. F. Liem, "The evolution and interrelationships of the actinopterygian fish," Bull. Museum Comp. Zool., vol. 150, pp. 95-197, 1983.

42 A. C. Gibb, K. A. Dickson, and G. V. Lauder, "Tail kinematics of the chub mackerel Scomber japonicus: Testing the homocercal tail model of fish propulsion," J. Exper. Biol., vol. 202, pp. 2433-2447, 1999.

43 H. L. Fierstine and V. Walters, "Studies in locomotion and anatomy of scombroid fish," Memoirs South. Calif. Acad. Sci., vol. 6, pp. 1-31, 1968.

44 E. G. Drucker and G. V. Lauder, "Locomotor function of the dorsal fin in teleost fishes: Experimental analysis of wake forces in sunfish," J. Exper. Biol., vol. 204, pp. 2943-2958, 2001.

45 A. Gibb, B. C. Jayne, and G. V. Lauder, "Kinematics of pectoral fin locomotion in the bluegill sunfish Lepomis macrochirus," J. Exper. Biol., vol. 189, pp. 133-161, 1994.

46 J. A.Walker and M.Westneat, "Performance limits of labriform propulsion and correlates with fin shape and motion," J. Exper. Biol., vol. 205, pp. 177-187, 2002.

47 C. D. Wilga and G. V. Lauder, "Functional morphology of the pectoral fins in bamboo sharks, Chiloscyllium plagiosum: Benthic versus pelagic station holding," J. Morphol., vol. 249, pp. 195-209, 2001.

48 "Locomotion in sturgeon: Function of the pectoral fins," J. Exper. Biol., vol. 202, pp. 2413-2432, 1999.

49 J. Lighthill and R. Blake, "Biofluiddynamics of balistiform and gymnotiform locomotion. Part 1. Biological background and analysis by elongated-body theory," J. Fluid Mech., vol. 212, pp. 183-207, 1990.

50 J. Lighthill, "Biofluiddynamics of balistiform and gymnotiform locomotion. Part 3. Momentum enhancement in the presence of a body of elliptic cross-section," J. Fluid Mech., vol. 213, pp. 11-20, 1990.

51 G. V. Lauder and E. G. Drucker, "Morphology and experimental hydrodynamics of fish fin control surfaces," in IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 29, no. 3, pp. 556-571, July 2004,

52 E. G. Drucker and G. V. Lauder, "Function of pectoral fins in rainbow trout: Behavioral repertoire and hydrodynamic forces," J. Exper. Biol., vol. 206, pp. 813-826, 2003.

53 E. G. Drucker and G. V. Lauder, "Wake dynamics and locomotor function in fishes: Interpreting evolutionary patterns in pectoral fin design,"Integr. Compar. Biol., vol. 42, pp. 997-1008, 2002.

54 J. E. Harris, "The mechanical significance of the position and movements of the paired fins in the Teleostei," Pap. Tortugas Lab., vol. 31, pp. 173-189, 1937.

55 R. M. Alexander, Functional Design in Fishes. London, U.K.: Hutchinson,

1967.

56 L. A. Ferry and G. V. Lauder, "Heterocercal tail function in leopard sharks:Athree-dimensional kinematic analysis of two models," J. Exper. Biol., vol. 199, pp. 2253-2268, 1996.

57 F. E. Fish and L. D. Shannahan, "The role of the pectoral fins in body trim of sharks," J. Fish Biol., vol. 56, pp. 1062-1073, 2000.

58 B. Wright, "Form and function in aquatic flapping propulsion: Morphology, kinematics, hydrodynamics, and performance of the triggerfish (Tetraodontiformes: Balistidae)," in Department of Organizmal Biology and Anatomy. Chicago, IL: Univ. of Chicago, 2000, p. 303.

59 Q. Zhu, M. J. Wolfgang, D. K. P. Yue, and G. S. Triantafyllou, "Threedimensional flowstructures and vorticity control in fish-like swimming," J. Fluid Mech., vol. 468, pp. 1-28, 2002.

60 B. C. Jayne, A. Lozada, and G. V. Lauder, "Function of the dorsal fin in bluegill sunfish: Motor patterns during four locomotor behaviors," J. Morphol., vol. 228, pp. 307-326, 1996.

61 P.W.Webb and D.Weihs, "Hydrostatic stability of fish with swim bladders: Not all fish are unstable," Can. J. Zool., vol. 72, pp. 1149-1154, 1994.

62 Magnuson, J. J. (1978). Locomotion by scombrid fishes: Hydromechanics, morphology, and behavior. In ''Fish Physiology. Vol. VII. Locomotion'' (Hoar, W. S., and Randall, D. J., Eds.), pp. 239-313. Academic Press, New York.

63 B. Collette and C. E. Nauen, "Scombrids of the world. FAO species catalog vol 2," FAO Fish Synopsis, vol. 125, pp. 1-137, 1983.

64 B. Block and E. D. Stevens, "Tuna: Physiology, ecology, and evolution," in Fish Physiology,W. Hoar, D. J. Randall, and A. P. Farrell, Eds. San Diego, CA: Academic, 2001, vol. 19.

65 J. C. Nauen and G.V. Lauder, "Three-dimensional analysis of finlet kinematics in the Chub mackerel (Scomber japonicus)," Biol. Bull., vol. 200, pp. 9-19, 2001.

66 Lauder G.V. "Locomotion in scombrid fish: Visualization of flow around the caudal peduncle and finlets of the Chub mackerel Scomber japonicus," J. Exper. Biol., vol. 204, pp. 2251-2263, 2001.

67 C. D. Wilga and G. V. Lauder, "Function of the heterocercal tail in sharks: Quantitative wake dynamics during steady horizontal swimming and vertical maneuvering," J. Exper. Biol., vol. 205, pp. 2365-2374, 2002.

68 Lauder G.V. "Function of the caudal fin during locomotion in fish: Kinematics, flow visualization, and evolutionary patterns," Amer. Zool., vol. 40, pp. 101-122, 2000.

69 J. Liao and G. V. Lauder, "Function of the heterocercal tail in white sturgeon: Flow visualization during steady swimming and vertical maneuvering," J. Exper. Biol., vol. 203, pp. 3585-3594, 2000.

70 Nauen, J. C., and Lauder, G. V. (2001). Locomotion in scombrid fishes: Visualization of flow around the caudal peduncle and finlets of the Chub mackerel Scomber japonicus. J. Exp. Biol. 204, 2251-2263.

71 Liao, J., Beal, D. N., Lauder, G. V., and Triantafyllou, M. S. (2003a). Fish exploiting vortices decrease muscle activity. Science 302, 1566-1569.

72 Liao, J. (2004). Neuromuscular control of trout swimming in a vortex street: Implications for energy economy during the Karman gait. J. Exp. Biol. 207, 3495-3506.

73 J.J. Magnuson, "Locomotion by scombrid fishes: hydromechanics, morphology and behavior," in Fish Physiology Vol. VII Locomotion, edited by W.S. Hoar and D.J. Randall. New York: Academic Press, 1978, pp. 239-313.

74 P.W. Webb, "Hydrodynamics and energetics of fish propulsion," Bulletin of the Fisheries Research Board of Canada, vol. 190, pp. 1-159, 1975.

75 S. Vogel, Life in moving fluids. Princeton: Princeton University Press,

1994.

76 P.W. Webb, "Simple physical principles and vertebrate aquatic locomotion" Amer. Zool., vol. 28, pp. 709-725, 1988.

77 G.S. Triantafyllou, M.S. Triantafyllou, M.A. Grosenbauch, "Optimal thrust development in oscillating foils with application to fish propulsion," J. Fluids and Struct., vol. 7, pp. 205-224, 1993.

78 Sfakiotakis, Michael & Lane, David & Davies, John. (1999). Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion. Oceanic Engineering, IEEE Journal of. 24. 237 - 252. 10.1109/48.757275.

79 M.J. Lighthill, "Hydromechanics of aquatic animal propulsion," Annu. Rev. Fluid. Mech., vol. 1, pp. 413-466, 1969.

80 M.J. Lighthill, Mathematical biofluiddynamics. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics, 1975.

81 Jianxun Wang "Robotic fish: development, modeling, and application to mobile sensing" Thesis, Dissertation, English, 2014

82 M. J. Lighthill, "Large-amplitude elongated-body theory of fish locomotion," Proceedings of the Royal Society of London B, vol. 179, pp. 125-138, 1971.

83 Z. C. S. Shatara and X. Tan, "Modeling of biomimetic robotic fish propelled by an ionic polymer-metal composite caudal fin," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 15, no. 3, pp. 448-459, 2010.

84 X. Tan,M. Carpenter, J. Thon, and F. Alequin-Ramos, "Analyticalmodeling and experimental studies of robotic fish turning," in Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, AK, 2010, pp. 102108.

85 M. Aureli, V. Kopman, and M. Porfiri, "Free-locomotion of underwater vehicles actuated by ionic polymer metal composites," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 15, no. 4, pp. 603-614, 2010.

86 T. I. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles. New York: Wiley,

1994.

87 Alexander, R. McN. (1968). "Animal Mechanics." Univ. of Washington Press, Seattle.

88 Brown, C. E., and Muir, B. S. (1970). Analysis of ram ventilation of fish gills with application to skipjack tuna (Katsuwonus pelamis). J . Fish. Res. Board Can. 27, 1637-1652.

89 Prandtl, L., and Tietjens, O. G. (1934). "Applied Hydro- and Aeromechanics." Dover, New York. (New Ed., 1957.)

90 Bainbridge, R. (1961). Problems of fish locomotion. Zool. Soc. London 5, 13-32 (Vertebrate Locomotion Symposium).

91 Magnuson, John J. "4 - Locomotion by Scombrid Fishes: Hydromechanics, Morphology, and Behavior." Fish Physiology 7 (1978): 239-313.

92 Hertel, H. (1966). "Structure-Form-Movement," 1st Engl. Ed. Reinhold, New York.

93 K. A. Morgansen, B. I. Triplett, and D. J. Klein, "Geometric methods for modeling and control of free-swimming fin-actuated underwater vehicles," IEEE Transactions on Robotics, vol. 23, no. 6, pp. 1184-1199, 2007.

94 R. Mason and J. W. Burdick, "Experiments in carangiform robotic fish locomotion," in Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation, San Francisco, CA, 2000, pp. 428-435.

95 Shintake, Jun & Shea, Herbert & Floreano, Dario. (2016). Biomimetic underwater robots based on dielectric elastomer actuators. 4957-4962.10.1109/IR0S.2016.7759728.

96 Kim, Byungkyu & Kim, Deok-Ho & Jung, Jaehoon & Park, Jong-Oh. (2005). A biomimetic undulatory tadpole robot using ionic polymer metal composite actuators. Smart Mater. Struct. 14. 1-7. 10.1088/0964-1726/14/6/051.

97 Tan, Xiaobo & Kim, Drew & Usher, Nathan & Laboy, Dan & Jackson, Joel & Kapetanovic, Azra & Rapai, Jason & Sabadus, Beniamin & Zhou, Xin. (2006). An Autonomous Robotic Fish for Mobile Sensing. 5424 - 5429. 10.1109/IR0S.2006.282110.

98 Guo, Shuxiang & Fukuda, Toshio & Asaka, Kinji. (2003). A new type of fish-like underwater microrobot. Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on. 8. 136 -141. 10.1109/TMECH.2003.809134.

99 Cen, L. (2013). Bio-inspired aquatic robotics by untethered piezohydroelastic actuation. Bioinspiration & biomimetics. 8. 016006. 10.1088/17483182/8/1/016006.

100 Ming, Aiguo & Park, Seokyong & Nagata, Yoshinori & Shimojo, Makoto. (2009). Development of underwater robots using piezoelectric fiber composite. 38213826. 10.1109/R0B0T.2009.5152723.

101 Rossi, Claudio & Coral, William & Colorado, Julian & Barrientos, Antonio. (2011). A motor-less and gear-less bio-mimetic robotic fish design. Proceedings - IEEE International Conference on Robotics and Automation. 3646 -3651. 10.1109/ICRA.2011.5979611.

102 Aragaki, Daisuke & Nishimura, Toi & Ming, Aiguo. (2022). Development of Soft Underwater Robot that Mimics Red Muscle and Tendon Structure of Fish. 23612366. 10.1109/R0BI055434.2022.10011983.

103 Li, Liang & Wang, Chen & Xie, Guangming. (2015). A general CPG network and its implementation on the microcontroller. Neurocomputing. 10.1016/j.neucom.2015.04.066.

104 Yu, Junzhi & Wu, Zhengxing & Wang, Ming & Tan, M.. (2015). CPG Network 0ptimization for a Biomimetic Robotic Fish via PS0. IEEE transactions on neural networks and learning systems. 27. 10.1109/TNNLS.2015.2459913.

105 Bal, Cafer & Ozmen Koca, Gonca & Korkmaz, Deniz & Akpolat, Zuhtu & Ay, Mustafa. (2019). CPG-based autonomous swimming control for multi-tasks of a biomimetic robotic fish. Ocean Engineering. 10.1016/j.oceaneng.2019.106334.»

106 Barrett, David & Triantafyllou, Michael & Yue, Dick & Grosenbaugh, MA & Wolfgang, M.J. (1999). Drag reduction in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics. 392. 10.1017/S0022112099005455.

107 R. J. Clapham and H. Hu, "iSplash-II: Realizing fast carangiform swimming to outperform a real fish," 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Chicago, IL, USA, 2014, pp. 1080-1086, doi: 10.1109/IROS.2014.6942692.

108 J. Yu, C. Zhang and L. Liu, "Design and Control of a Single-Motor-Actuated Robotic Fish Capable of Fast Swimming and Maneuverability," in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 21, no. 3, pp. 1711-1719, June 2016, doi: 10.1109/TMECH.2016.2517931.

109 Zhu, Joseph & White, Cygel & Wainwright, Dylan & Di Santo, Valentina & Lauder, George & Bart-Smith, Hilary. (2019). Tuna robotics: A high-frequency experimental platform exploring the performance space of swimming fishes. Science Robotics. 4. eaax4615. 10.1126/scirobotics.aax4615.

110 Costa, Daniele & Palmieri, Giacomo & Palpacelli, Matteo & Scaradozzi, David & Callegari, Massimo. (2020). Design of a Carangiform Swimming Robot through a Multiphysics Simulation Environment. Biomimetics (Basel, Switzerland). 5. 10.3390/biomimetics5040046.

111 Katzschmann, Robert & DelPreto, Joseph & MacCurdy, Robert & Rus, Daniela. (2018). Exploration of underwater life with an acoustically controlled soft robotic fish. Science Robotics. 3. eaar3449. 10.1126/scirobotics.aar3449.

112 Zhang, Zhiye & Philen, Michael & Neu, Wayne. (2010). A biologically inspired artificial fish using flexible matrix composite actuators: Analysis and experiment. Smart Materials and Structures. 19. 094017. 10.1088/09641726/19/9/094017.

113 Zhang, Yu & Katzschmann, Robert. (2022). Creation of a Modular Soft Robotic Fish Testing Platform. 10.48550/arXiv.2201.04098.

114 Anderson, Jamie & Chhabra, Narender. (2002). Maneuvering and Stability Performance of a Robotic Tuna. Integrative and comparative biology. 42. 118-26. 10.1093/icb/42.1.118.

115 Chen, Xingyu & Wu, Zhengxing & Zhou, Chao & Yu, Junzhi. (2017). Design and Implementation of a Magnetically Actuated Miniature Robotic Fish * 50. 6851-6856. 10.1016/j.ifacol.2017.08.1206.

116 Romano, Donato & Wahi, Akshat & Miraglia, Marco & Stefanini, Cesare. (2022). Development of a Novel Underactuated Robotic Fish with Magnetic Transmission System. Machines. 10. 755. 10.3390/machines10090755.

117 Chen, Xingyu & Yu, Junzhi & Wu, Zhengxing & Meng, Yan & Shihan, Kong. (2018). Toward a Maneuverable Miniature Robotic Fish Equipped With a Novel Magnetic Actuator System. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. PP. 1-11. 10.1109/TSMC.2018.2812903.

118 Zhou, Chao & Tan, M. & Cao, Zhiqiang & Wang, Shuo & Creighton, Doug & Gu, Nong & Nahavandi, Saeid. (2008). Kinematic modeling of a bio-inspired robotic fish. Proceedings - IEEE International Conference on Robotics and Automation. 695 - 699. 10.1109/R0B0T.2008.4543286.

119 Jianxun Wang ROBOTIC FISH: DEVELOPMENT, MODELING, AND APPLICATION TO MOBILE SENSING / A DISSERTATION Michigan State University 2014

120 Shintake, Jun & Zappetti, Davide & Peter, Timothee & Ikemoto, Yusuke & Floreano, Dario. (2020). Bio-inspired Tensegrity Fish Robot. 2887-2892. 10.1109/ICRA40945.2020.9196675.

121 El Daou, Hadi & Salumae, Taavi & Chambers, Lily & Megill, William & Kruusmaa, Maarja. (2014). Modelling of a biologically inspired robotic fish driven by compliant parts. Bioinspiration & biomimetics. 9. 016010. 10.1088/17483182/9/1/016010.

122 Valdivia y Alvarado, Pablo & Youcef-Toumi, Kamal. (2006). Design of Machines With Compliant Bodies for Biomimetic Locomotion in Liquid Environments. Journal of Dynamic Systems Measurement and Control-transactions of The Asme - J DYN SYST MEAS CONTR. 128. 10.1115/1.2168476.

123 Berg, Sander & Scharff, Rob & Rusak, Zoltan & Wu, Jun. (2020). Biomimetic Design of a Soft Robotic Fish for High Speed Locomotion. 10.1007/978-3-030-64313-3_35.

124 Hosseini, Saeid & Daryani, Kasra & Meghdari, Ali. (2019). Design and Fabrication and Hydrodynamic Analysis of a Fish Robot for Underwater Surveillance. 5. 22-30. 10.20431/2454-9711.0503004.

125 Xie, Fengran & Zhong, Yong & Du, Ruxu & Li, Zheng. (2019). Central Pattern Generator (CPG) Control of a Biomimetic Robot Fish for Multimodal Swimming. Journal of Bionic Engineering. 16. 222-234. 10.1007/s42235-019-0019-2.

126 Щур Н.А. Экспериментальное исследование и численное моделирование гидродинамики рыбоподобного подводного робота / Н.А. Щур, И.В. Митин, Р.А. Коротаев, В.И. Миронов, В.Б. Казанцев // Робототехника и техническая кибернетика - 2023 - Т. 11. - № 1 - С. 40-44.

127 Mitin I. Bioinspired Propulsion System for a Thunniform Robotic Fish / I. Mitin, R. Korotaev, A. Ermolaev, V. Mironov, S. Lobov, V. Kazantsev // Biomimetics -2022 - Vol. 7 - No. 4 - P. 215.

128 Chen, Xingyu & Yu, Junzhi & Wu, Zhengxing & Meng, Yan & Shihan, Kong. (2018). Toward a Maneuverable Miniature Robotic Fish Equipped With a Novel Magnetic Actuator System. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. PP. 1-11. 10.1109/TSMC.2018.2812903.

129 Rossi, Claudio & Colorado, Julian & Coral, William & Barrientos, Antonio. (2011). Bending continuous structures with SMAs: A novel robotic fish design. Bioinspiration & biomimetics. 6. 045005. 10.1088/1748-3182/6/4/045005.

130 Niu, Xuelei & Xu, Jianxin & Ren, Qinyuan & Wang, Qingguo. (2013). Locomotion Generation and Motion Library Design for an Anguilliform Robotic Fish. Journal of Bionic Engineering. 10. 251-264. 10.1016/S1672-6529(13)60221-8.

131 Mitin I.V. Development of the bioinspired propulsion system for a robotic fish / I.V. Mitin, R.A. Korotaev, V.I. Mironov, S.A.Lobov, V.B. Kazantsev // Genes & Cells - 2023 - Vol. 18 - No. 4 - P. 870-873.

132 Митин И.В. Разработка и вычислительное моделирование биоморфного движителя рыбоподобного робота / И.В. Митин, Р. А. Коротаев, А.

A. Ермолаев, В.Б. Казанцев // XXVI Нижегородская сессия молодых ученых -2021 - Н. Новгород, Россия. С. 29-31.

133 Митин И.В. Разработка биоморфного движителя моделирующего движение рыб по типу осцилляций с нарастающей амплитудой / И.В. Митин, А. А. Ермолаев, Р.А. Коротаев, В.Б. Казанцев // Биосистемы: организация, поведение, управление»: 74-я Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых - 2021 - Н. Новгород, Россия. С. 146.

134 Коротаев Р.А. Вычислительное моделирование биоморфного движителя рыбоподобного робота / Р.А. Коротаев, И.В. Митин, А. А. Ермолаев,

B.Б. Казанцев // Биосистемы: организация, поведение, управление»: 74-я Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых - 2021 - Н. Новгород, Россия С. 117.

135 Mitin I. Modeling Biomorphic Robotic Fish Swimming: Simulations and Experiments / I. Mitin, R. Korotaev, N. Tschur, I. Kastalskiy, S. Gordleeva, S. Lobov & V. Kazantsev // Interactive Collaborative Robotics - 2022 - No. 13719 - P. 189-198.

136 Menter, F. R., Kuntz, M., and Langtry, R., "Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model," Turbulence, Heat and Mass Transfer 4, ed: K. Hanjalic, Y. Nagano, and M. Tummers, Begell House, Inc., 2003, pp. 625 - 632.

137 Zabello, K.K. & Tschur, N.A. & Gordleeva, Susan & Smirnova, E. & Popov, A.V. & Kazantsev, Victor. (2024). Course control in a self-consistent model of

cuttlefish movement. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 140. 108417. 10.1016/j.cnsns.2024.108417.

138 Ferziger JH, Peric M, Street RL. Computational methods for fluid dynamics. springer; 2019.

139 Aragaki, D.; Nishimura, T.; Sato, R.; Ming, A. Biomimetic Soft Underwater Robot Inspired by the Red Muscle and Tendon Structure of Fish. Biomimetics 2023, 8, 133. https://doi.org/10.3390/biomimetics8020133

140 Berg, Sander & Scharff, Rob & Rusak, Zoltan & Wu, Jun. (2022). OpenFish: Biomimetic Design of a Soft Robotic Fish for High Speed Locomotion. HardwareX. 12. e00320. 10.1016/j.ohx.2022.e00320.

141 Zhong, Qiang & Zhu, Joseph & Fish, Frank & Kerr, Sarah & Downs, Abigail & Bart-Smith, Hilary & Quinn, Daniel. (2021). Tunable stiffness enables fast and efficient swimming in fish-like robots. Science Robotics. 6. eabe4088. 10.1126/scirobotics.abe4088.

142 Jiao, Zhi-Wei & Wang, Hao-Yu & Luo, Bin & Yang, Wei-Min & Yu, Yuan. (2022). A BCF Bionic Robot Fish Driven by A Dielectric Elastomer Actuator. Journal of Physics: Conference Series. 2331. 012010. 10.1088/17426596/2331/1/012010.

143 Shintake, Jun & Ming, Aiguo & Shimojo, Makoto. (2010). Development of Underwater Robots using Piezoelectric Fiber Composite : Diversification of Propulsion Movement by Single Fin Structure. The Abstracts of the international conference on advanced mechatronics : toward evolutionary fusion of IT and mechatronics : ICAM. 2010.5. 124-128. 10.1299/jsmeicam.2010.5.124.

144 Shen, Qi & Wang, Tianmiao & Wen, Li & Liang, Jianhong & Chen, Yang. (2012). On the thrust efficiency of an IPMC actuated robotic swimmer: dynamic modeling and experimental investigation. 10.13140/RG.2.1.2418.2488.

145 Van den Berg, S.C.; Scharff, R.B.N.; Rusak, Z.; Wu, J. Biomimetic Design of a Soft Robotic Fish for High Speed Locomotion. In Conference on Biomimetic and Biohybrid Systems; Vouloutsi, V., Mura, A., Tauber, F., Speck, T., Prescott, T.J.,

Verschure, P.F.M.J., Eds.; Springer International Publishing: Cham, Switzerland, 2020; pp. 366-377.

146 Chen, B.; Jiang, H. Swimming Performance of a Tensegrity Robotic Fish. Soft Robot. 2019, 6, 520-531.

147 Xie, F.; Li, Z.; Ding, Y.; Zhong, Y.; Du, R. An Experimental Study on the Fish Body Flapping Patterns by Using a Biomimetic Robot Fish. IEEE Robot. Autom. Lett. 2020, 5, 64-71.

148 Sepulveda, C.; Dickson, K.A. Maximum sustainable speeds and cost of swimming in juvenile kawakawa tuna (Euthynnus affinis) and chub mackerel (Scomber japonicus). J. Exp. Biol. 2000, 203, 3089-3101.

149 Blank, J.M.; Farwell, C.J.; Morrissette, J.M.; Schallert, R.J.; Block, B.A. Influence of Swimming Speed on Metabolic Rates of Juvenile Pacific Bluefin Tuna and Yellowfin Tuna. Physiol. Biochem. Zool. 2007, 80, 167-177.

150 White, C.H.; Lauder, G.V.; Bart-Smith, H. Tunabot Flex: A tuna-inspired robot with body flexibility improves high-performance swimming. Bioinspiration Biomim. 2021, 16, 26019.

151 Tong, R.; Wu, Z.; Chen, D.; Wang, J.; Du, S.; Tan, M.; Yu, J. Design and Optimization of an Untethered High-Performance Robotic Tuna. IEEE/ASME Trans. Mechatron. 2022, 27, 4132-4142.

Список иллюстративного материала

Рисунки

Рисунок 1 - Классификация типов локомоции рыб [15;16], цветом выделены

части, где происходят взмахи плавников.............................................12

Рисунок 2 - Четыре типа локомоции при помощи хвостового плавника,

проиллюстрированные контурами и средними линиями рыб...........14

Рисунок 3 - Сравнение большеротого окуня и американского угря.......................15

Рисунок 4 - Модель петли ПКС - ЗКС и красных мышц, изменено из [29]..........17

Рисунок 5 - Сравнение чисел Струхаля для различных гидробионтов..................22

Рисунок 6 - Особенности направления вихрей, создаваемых машущим хвостом 23 Рисунок 7 - Фотография синежаберного солнечника (Lepomis macrochirus),

демонстрирующая расположение парных и непарных плавников.... 27 Рисунок 8 - Основные филогенетические закономерности строения парных и

непарных плавников лучепёрых рыб....................................................28

Рисунок 9 - Межвидовое сравнение скорости и ориентации тормозной струи

грудных плавников у: а) солнечного окуня; б) форели......................30

Рисунок 10 - Скелет хвостового плавника солнечного окуня.................................31

Рисунок 11 - Схематическое изображение, иллюстрирующая общий баланс

крутящих моментов тела форели........................................................32

Рисунок 12 - Анатомия хвоста (хвостового плавника) скумбрии (Scomber

japonicus)................................................................................................34

Рисунок 13 - Характер течения в области хвостового стебля и передней

кромки хвоста у скумбрии (Scomber japonicus).............................36

Рисунок 14 - Вихревая дорожка Кармана..................................................................38

Рисунок 15 - Походка Кармана...................................................................................38

Рисунок 16 - Плывущий рыбоподобный робот: a) действующие силы; б) тангаж, рыскание и крен....................................................................................41

Рисунок 17 - Диаграмма, показывающая относительный вклад механизмов

передачи импульса для рыбоподобного плавания для разных чисел

Яе,]..........................................................................................................42

Рисунок 18 - Влияние генерируемых вихрей............................................................43

Рисунок 19 - Элементы движения хвостового плавника..........................................44

Рисунок 20 - Вид сверху на рыбоподобного робота, движущегося

в плоскости ХУ.....................................................................................47

Рисунок 21 - Схема вихрей, возникающих на законцовках грудных плавников, а

также на кончиках и задней кромке хвостового плавника...............52

Рисунок 22 - Классификация рыбоподобных роботов в зависимости от

конструкции и принципов работы......................................................54

Рисунок 23 - Схема биоморфного движителя...........................................................58

Рисунок 24 - Конструкция сервопривода...................................................................60

Рисунок 25 - Параметры управляющего ШИМ сигнала сервопривода..................61

Рисунок 26 - Схема внутренней логики сервопривода.............................................62

Рисунок 27 - Внутреннее устройство сервопривода СЬБ6027ИУ: а) понижающий

редуктор; б) плата управления............................................................64

Рисунок 28 - Габариты и внешний вид робота..........................................................65

Рисунок 29 - Моделирование гидродинамического сопротивления для корпуса рыбоподобного робота, цветовая гамма соответствует значениям

скорости потока.....................................................................................66

Рисунок 30 - Поле турбулентной вязкости в горизонтальной плоскости..............67

Рисунок 31 - Ориентация рыбоподобного робота.....................................................68

Рисунок 32 - Изменение угла рысканья: а) прямолинейное движение

б) поворот..............................................................................................68

Рисунок 33 - Режимы разворотов: а) траектория рыбоподобного робота, разворачивающегося с минимальным радиусом; б) график колебаний хвостового плавника во время разворота........................69

Рисунок 34 - Вид сверху на рыбоподобного робота, двигающегося по

установившейся круговой траектории...............................................70

Рисунок 35 - Изменение угла тангажа: а) всплытие б) погружение.......................72

Рисунок 36 - Внутренняя компоновка робота...........................................................73

Рисунок 37 - Устройство поворотных плавников.....................................................73

Рисунок 38 - Алгоритм управления роботом.............................................................74

Рисунок 39 - Схема электрическая функциональная................................................76

Рисунок 40 - Скриншот интерфейса робота..............................................................77

Рисунок 41 - предыдущие модели рыбоподобных роботов.....................................77

Рисунок 42 - первая модель тунниформного робота: а) внешний вид;

б) внутреннее устройство.....................................................................78

Рисунок 43 - вторая модель тунниформного робота: а) внешний вид;

б) внутреннее устройство.....................................................................79

Рисунок 44 - герметизация входа тяг в корпус при помощи силиконовых

сильфонов..............................................................................................80

Рисунок 45 - третья модель тунниформного робота: а) внешний вид;

б) внутреннее устройство.....................................................................81

Рисунок 46 - робот-щука: а) внешний вид; б) внутреннее устройство...................82

Рисунок 47 - прототип двухсегментного хвостового движителя: а) внешний вид;

б) внутреннее устройство; в) примеры работы..................................84

Рисунок 48 - Испытательный стенд для определения кинематических

характеристик рыбоподобного робота...............................................85

Рисунок 49 - Пульт управления рыбоподобным роботом, 3 Д-модель...................87

Рисунок 50 - Сравнение паттернов движения рыбоподобного робота с

биологическим прототипом.................................................................88

Рисунок 51 - Зависимость скорости робота от амплитуды взмахов хвоста...........89

Рисунок 52 - Зависимость СОТ от амплитуды взмахов хвоста...............................90

Рисунок 53 - Сводная характеристика движения робота, закрашенные области соответствуют пороговой скорости, превышение которой ведет к

непропорциональному увеличению энергозатрат.............................91

Рисунок 54 - Поле скорости на поверхности рыбы-робота и поле давления в

горизонтальной плоскости [32]...........................................................97

Рисунок 55 - Корпус робота с контрастными маркерами........................................98

Рисунок 56 - Компиляция кадров обработанных БеерЬаЬСи................................99

Рисунок 57 - Пример выдачи данных БеерЬаЬСи...................................................99

Рисунок 58 - Отфильтрованные траектории плавания из БеерЬаЬСи.................100

Рисунок 59 - Зависимость скорости плавания робота от частоты взмахов хвоста

...............................................................................................................101

Рисунок 60 - Зависимость скорости плавания различных рыбоподобных роботов

от частоты взмахов хвоста.................................................................102

Рисунок 61 - Энергопотребление сервопривода хвоста.........................................103

Рисунок 62 - Пример показаний лабораторного блока питания............................104

Рисунок 63 - Схема электрическая функциональная стенда для измерения

напряжения и потребляемого тока сервопривода хвоста...............105

Рисунок 64 - Диаграмма распределения значений тока, потребляемого

сервоприводом....................................................................................107

Рисунок 65 - График потребления тока сервоприводом за 1с...............................108

Рисунок 66 - Изменение тока, потребляемого сервоприводом за время одного

взмаха...................................................................................................109

Рисунок 67 - Зависимость стоимости транспорта от частоты взмахов хвоста .... 111

Таблицы

Таблица 1

- Общее сопротивление, рассчитанное для полосатого тунца длиной 44 см, плавающего с постоянной скоростью 0,66 м/сек [74].........51

Программа для ЭВМ «Удаленное управление режимами плавания

биоморфного робота»

(Описание и листинг)

Программа предназначена для осуществления удаленного управления плаванием биоморфного рыбоподобного робота. Программа представляет собой интерактивный пульт управления, облегчающий задание команд роботу-рыбе и фиксирующий заданные ранее значения параметров. Программа написана на открытом объектно-ориентированном языке программирования Processing, основанном на Java. В ответ на управляющее воздействие оператора (передвижение виртуальных ползунков, нажимание виртуальных кнопок) генерируется числовая команда, которая передается через последовательный порт на микроконтроллер радиопередатчика.

import g4p_controls.*; import peasy.*; import java.awt.Font; import java.awt.*; public void setup() { size(800, 600, JAVA2D); createGUI(); customGUI(); } int tale_ampl = 60; int tale_delay = 100; int tale_centr = 90; boolean btn_start = false; boolean btn_stop = false; boolean btn_param_set = false; boolean btn_plavn_up = false; boolean btn_plavn_down = false; public void draw() { background(230);

fill(0); //Реакция на кнопку старт if (btn_start == true) { print(':'); print('2');

print(',');

print(tale_ampl);

print(',');

print(tale_delay); print(','); print(tale_centr); print(','); print('0'); println(';'); btn_start = false; } //Реакция на кнопку стоп if (btn_stop == true) { print(":0,0,0,0,0;"); btn_stop = false; } //Реакция на кнопку применить параметры if (btn_param_set == true) { print(':'); print('1'); print(','); print('0'); print(','); print(tale_centr); print(','); print('0'); print(','); print('0'); println(';');

btn_param_set = false; }

//Реакция на кнопку плавник вверх if (btn_plavn_up == true) { print(":1,1,0,0,0;"); btn_plavn_up = false; }

//Реакция на кнопку плавник вниз if (btn_plavn_down == true) { print(":1,-1,0,0,0;");

btn_plavn_down = false; } }

public void customGUI() { }

public void slider2_change1(GSlider source, GEvent event) { //_CODE_:slider_tail_ampl:229291: println("slider2 - GSlider >> GEvent." + event + " @ " + millis()); //D = source.getValueI(); tale_ampl = source.getValueI(); } //_CODE_:slider_tail_ampl:229291:

public void slider2_change2(GSlider source, GEvent event) { //_CODE_:Zaderzka_hvosta:333674: println("slider2 - GSlider >> GEvent." + event + " @ " + millis()); tale_delay = source.getValueI();

} //_CODE_:Zaderzka_hvosta:333674:

public void button 1_click1(GButton source, GEvent event) { //_CODE_:but_Start:732592: println("button1 - GButton >> GEvent." + event + " @ " + millis()); btn_start = true;

} //_CODE_:but_Start:732592:

public void button2_click1(GButton source, GEvent event) { //_CODE_:but_Stop:815422: println("button2 - GButton >> GEvent." + event + " @ " + millis()); btn_stop = true;

} //_CODE_:but_Stop:815422:

public void slider1_change1(GSlider source, GEvent event) { //_CODE_:tale_center:749900: println("slider1 - GSlider >> GEvent." + event + " @ " + millis()); tale_centr = source.getValueI();

} //_CODE_:tale_center:749900:

public void button3_click1(GButton source, GEvent event) { //_CODE_:but_plavn_up:636127: println("button3 - GButton >> GEvent." + event + " @ " + millis()); btn_plavn_up = true;

} //_CODE_:but_plavn_up:636127:

public void button4_click1(GButton source, GEvent event) { //_CODE_:but_plavn_down:938905: println("button4 - GButton >> GEvent." + event + " @ " + millis()); btn_plavn_down = true;

} //_CODE_:but_plavn_down:938905:

public void button5_click1(GButton source, GEvent event) { //_CODE_:but_Param_set:333645: println("button5 - GButton >> GEvent." + event + " @ " + millis()); btn_param_set = true;

} //_CODE_:but_Param_set:333645:

public void createGUI(){ G4P.messagesEnabled(false);

G4P.setGlobalColorScheme(GCScheme.BLUE_SCHEME); G4P.setMouseOverEnabled(false); surface.setTitle("Sketch Window");

slider_tail_ampl = new GSlider(this, 32, 32, 304, 112, 10.0);

slider_tail_ampl.setShowValue(true);

slider_tail_ampl.setShowLimits(true);

slider_tail_ampl.setLimits(60.0, 0.0, 120.0);

slider_tail_ampl.setNbrTicks(25);

slider_tail_ampl.setStickToTicks(true);

slider_tail_ampl.setShowTicks(true);

slider_tail_ampl.setNumberFormat(G4P.DECIMAL, 0);

slider_tail_ampl.setOpaque(false);

slider_tail_ampl.addEventHandler(this, "slider2_change1"); label1 = new GLabel(this, 96, 32, 200, 40); label1.setTextAlign(GAlign.CENTER, GAlign. MIDDLE); label1.setText(" Амплитуда хвоста"); label1.setOpaque(false);

Zaderzka_hvosta = new GSlider(this, 368, 32, 400, 112, 10.0);

Zaderzka_hvosta.setShowValue(true);

Zaderzka_hvosta.setShowLimits(true);

Zaderzka_hvosta.setLimits( 100.0, 10.0, 200.0);

Zaderzka_hvosta.setNbrTicks(96);

Zaderzka_hvosta.setStickToTicks(true);

Zaderzka_hvosta.setShowTicks(true);

Zaderzka_hvosta.setNumberFormat(G4P.DECIMAL, 2);

Zaderzka_hvosta.setOpaque(false);

Zaderzka_hvosta.addEventHandler(this, "slider2_change2"); label2 = new GLabel(this, 496, 48, 144, 20); label2.setTextAlign(GAlign.CENTER, GAlign.MIDDLE); label2.setText("Задержка хвоста"); label2.setOpaque(false);

but_Start = new GButton(this, 90, 170, 180, 90); but_Start.setText("Пуск");

but_Start.setLocalColorScheme(GCScheme.GREEN_SCHEME); but_Start.addEventHandler(this, "button1_click1"); but_Stop = new GButton(this, 470, 170, 180, 90); but_Stop.setText("Стоп");

but_Stop.setLocalColorScheme(GCScheme.RED_SCHEME);

but_Stop.addEventHandler(this, "button2_click1");

tale_center = new GSlider(this, 80, 350, 210, 70, 10.0);

tale_center.setShowValue(true);

tale_center.setShowLimits(true);

tale_center.setLimits(90.0, 80.0, 100.0);

tale_center.setNbrTicks(21);

tale_center.setStickToTicks(true);

tale_center.setShowTicks(true);

tale_center.setNumberFormat(G4P.DECIMAL, 2);

tale_center.setOpaque(false);

tale_center.addEventHandler(this, "slider1_change1"); but_plavn_up = new GButton(this, 460, 350, 70, 70); but_plavn_up.setText("+");

but_plavn_up.addEventHandler(this, "button3_click1"); but_plavn_down = new GButton(this, 540, 350, 70, 70); but_plavn_down.setText("-");

but_plavn_down.addEventHandler(this, "button4_click1 "); but_Param_set = new GButton(this, 90, 450, 190, 70); Ьи_Рагат_8е18еЛех1("Применить параметры"); but_Param_set.addEventHandler(this, "button5_click1 "); label3 = new GLabel(this, 120, 320, 130, 30); label3.setTextAlign(GAlign.CENTER, GAlign.MIDDLE); label3.setText("Центральное положение хвоста"); label3.setOpaque(false); label4 = new GLabel(this, 480, 310, 120, 30); label4.setTextAlign(GAlign.CENTER, GAlign. MIDDLE); label4.setText("Угол поворота плавников"); label4.setOpaque(false); }

GSlider slider_tail_ampl; GLabel label1; GSlider Zaderzka_hvosta; GLabel label2; GButton but_Start; GButton but_Stop; GSlider tale_center; GButton but_plavn_up; GButton but_plavn_down; GButton but_Param_set; GLabel label3; GLabel label4;

Программа для микроконтроллера «Обработка и передача управляющего

сигнала по радио»

(Описание и листинг)

Программа предназначена для осуществления приема и обработки числовых команд, поступающих через последовательный порт на микроконтроллер радиопередатчика. Далее происходит беспроводная передача управляющей команды на рыбоподобный робот. Передача осуществляется при помощи радиосвязи на частоте 433 МГц. При этом антенна передатчика располагается на некотором удалении от воды, а антенна приемника, размещенная на борту робота-рыбы полностью погружена в воду. Программа выполняется на микроконтроллере ATmega328.

//Передатчик с процессингом 22.04.23 #include <Gyver433.h> //Оууег433_КХ<пин> tx; Gyver433_TX<2> tx; int data[5];

#include <GParser.h> bool flag = 0; void setup() {

Serial.begin(9600); } void loop() {

// отправка данных любого типа if (Serial.available()) { char buf[50];

int num = Serial.readBytesUntil(';', buf, 50);

Serial.readBytesUntil(';', buf, 50);

buf[num] = NULL;

GParser data_2(buf, ',');

intints[10];

data_2.parseInts(ints);

data[0] = ints[0]; data[1] = ints[1]; data[2] = ints[2]; data[3] = ints[3]; data[4] = ints[4]; tx.sendData(data); }

data[0] = 0; data[1] = 0; data[2] = 0; data[3] = 0; data[4] = 0; }

Программа для микроконтроллера «Управление роботом-рыбой с дистанционным заданием режимов плавания»

(Описание и листинг) Программа предназначена для управления биоморфным роботом-рыбой. Она позволяет на основании полученной по радиоканалу числовой команды конфигурировать работу исполнительных устройств робота (сервопривода хвоста и сервопривода поворотных плавников). Так же программа позволяет сигнализировать о получении команды и текущем режиме работы при помощи звуковых и световых сигналов, а также контролировать оставшийся заряд аккумулятора робота. Программа выполняется на микроконтроллере ATmega32u4.

//Приемник тестовый Работает с приемом и индикацией приема так же работает с выставлением плавников

#include <Gyver433.h>

Gyver433_RX<2, 20> rx;

#define MY_PERIOD 500 // период в мс

uint32_t tmrl; // переменная таймера

boolean flagl = falser/Для звуковых сигналов

boolean flag2 = falser/Для звуковых сигналов

boolean flag3 = falser/Для звуковых сигналов при ошибке приема массива int data[5]; // знаем, что передатчик отправляет int data[5]; #include <Servo.h> Servo myservol;

int servo1_zero_def = 1440; //центральное положение сервы хвоста не меняется

byte servo1_zero_delta = 100; //Корректировка центрального положения сервы хвоста 100=0 синтаксис servo1_zero_delta-100 что бы получать отрицательные значения

int servo1_zero_real = 1440; //Фактическое центральное положение servo1_zero_real = servo1_zero_def + (servo1_zero_delta-100)

int servo1_right_delta = 100;

int servo1_left_delta = 100;

int servo1_delay_microsekonds = 600; //задержка сервы хвоста, микросекунд *4 при 100 100 задержка 120 минимальная, после снижается амплитуда

uint32_t tmr3; // переменная таймера хвоста

int servo1_pos = 1440; //

boolean flag5 = false;//переключение направления хвоста Servo myservo2;

int servo2_zero_const = 1500; //центральное положение сервы плавника int servo2_levo_const = 1700;

int servo2_pravo_const = 1300; uint8_t servo2_delay_millisec = 50;

boolean flag4 = false;//Для срабатывания поворотных плавников uint32_t tmr2; // переменная таймера поворотных плавников void setup() {

attachInterrupt(0, isr, CHANGE); // взводим прерывания по CHANGE pinMode(3, OUTPUT); //Подключаем пищалку pinMode(4, OUTPUT); //Подключаем светодиод №2 Белый pinMode(5, OUTPUT); //Подключаем светодиод №3 Синий pinMode(6, OUTPUT); //Подключаем светодиод №4 Зеленый // Serial.println("Ready"); // Serial.println(" "); }

// тикер вызывается в прерывании void isr() { rx.tickISR(); }

void loop() {

servo1_zero_real = servo1_zero_def + (servo1_zero_delta - 100); //вычисление фактического нулевого положения сервы хвоста if (rx.gotData()) { // если больше 0 // gotData() вернёт количество удачно принятых байт if (rx.readData(data)) {

flag1 = true; // поднимаем флаг приема комманды }

else {

//Serial.println("Data error"); // если данные совпадают по размеру - ок data[0] = 99;

flag3 = true;// Флаг для подачи сигнала о неуспешном чтении массива } }

switch (data[0]) { case 0: Mod_0_Actions (); //режим паузы - ничего не делаем break;

case 1: Mod_1_Actions (); //Режим настройки плавников и центра хвоста break;

case 2: Mod_2_Actions (); break;

case 3: Mod_3_Actions (); break;

case 4: Mod_4_Actions (); break;

default: //Serial.println("Mod_error"); // выполнить, если значение не совпадает ни с одним из case } break; }

flag1 = false; //опускаем флаг приема комманды Light_Sound_Ne_Prinyal_Massiv (); } // режим паузы - ничего не делаем void Mod_0_Actions () { myservo1.detach(); //Отключаем серву хвоста myservo2.detach(); //Отключаем серву плавников

//Свето-звуковой сигнал режима 0 if (flag1) {

digitalWrite(3, HIGH);

tmr1 = millis(); // звуковой сигнал режима }

if (millis() - tmr1 >= 200) { digitalWrite(3, LOW); tmr1 = millis(); } digitalWrite(4, HIGH); digitalWrite(5, LOW); digitalWrite(6, LOW); /* Режим настройки плавников и центра хвоста синтаксис комманд

data[1] - (-5)поворот вниз на пять делений (+3)поворот вверх на 3 деления

data[2] - (+5) (-6) изменение центрального положения хвоста (1440), должно сохраняться в энергонезависимую память */ void Mod_1_Actions () { myservo1.attach(9); //Подключаем серву хвоста myservo2.attach(10); //Подключаем серву плавников

//---------------------------------------Свето-звуковой сигнал режима 1

if (flag1) { digitalWrite(3, HIGH);

tmr1 = millis(); // звуковой сигнал режима flag2 = true;

myservo1.attach(9); //Подключаем серву хвоста myservo2.attach(10); //Подключаем серву плавников }

if (flag2) {

if (millis() - tmr1 >= 500) digitalWrite(3, LOW); if (millis() - tmr1 >= 1000) digitalWrite(3, HIGH); if (millis() - tmr1 >= 1500) { digitalWrite(3, LOW); flag2 = false;

tmr1 = millis(); } }

digitalWrite(4, LOW); digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(6, LOW);

//.......................................Работа с сервоприводами

if (flag1) {

if (data[1] == 0) {//ничего не делаем } else if (data[1] > 0 or data[1] < 0) { flag4 = true; //поднимаем флаг вращать плавники

tmr2 = millis(); //фиксируем время начала вращения плавников } }