mgr inĪ. Marcin Malec mgr inĪ. Marcin Morawski dr hab. inĪ. Jerzy Zając, Prof. PK Politechnika Krakowska
BIOMIMETYCZNE NAPĉDY PODWODNYCH ROBOTÓW
MOBILNYCH W KONTEKĝCIE ROZWOJU CYBERRYBY
W artykule autorzy postanowili przedstawiü pokrótce rozwiązania napĊdowe stosowane w klasycznych pojazdach typu ROV/AUV jak równieĪ biomimetyczne rozwiązania konstrukcyjne w dziedzinie napĊdów podwodnych robotów mobilnych. Szczegóáowo omówiono problematykĊ naĞladowania sposobu poruszania siĊ ryb okonioksztaátnych. Na koniec przedstawiono kierunki moĪliwego rozwoju CyberRyby jako autonomicznego podwodnego robota mobilnego.
BIOMIMETIC DRIVES OF UNDERWATER MOBILE ROBOTS IN CONTEXT OF DEVELOPMENT OF THE CYBERFISH
In this paper authors decided to present shortly drives used in classic ROV/AUV as well as biomimetic drives in the field of underwater mobile robots. The way carangiform fish moves was described in details. In the end, directions of development of CyberFish as an autonomous mobile robot has been presented.
1. WPROWADZENIE
W dziedzinie podwodnych robotów mobilnych niekwestionowany prym wiodą pojazdy typu ROV (ang. Remotely Operated Vehicle) oraz AUV (ang. Autonomous Underwater Vehicle) zwane tak Īe UUV (ang. Unmanned Underwater Vehicle), niem niej jednak coraz cz ĊĞciej pojawiają si Ċ konstrukcje biom imetyczne wzorowane na ró Īnego rodzaju zwierz Ċtach wodnych. Technologia ROV, której pocz ątki s iĊgają lat ‘50 XX wieku, zosta áa doskonale dopracowana i jest z powodzeniem stosow ana we wszelkiego rodzaju operacjach podwodnych [9]. Ogra niczenia m obilnoĞci tych robotów, wynikaj ące z uwi Ċzi w postaci kabloliny, sk áaniają in Īynierów i naukowców do rozwoju pojazdów typu AUV(UUV), których zaawansowane system y sterowania i pozycjonowania umo Īliwiają realizacj Ċ róĪnorakich zada Ĕ, zarówno militarnych jak i cywilnych [11]. Rozwój bioniki zao wocowaá wyodrĊbnieniem nurtu w konstrukcji podwodnych robotów mobilnych, którego g áówną ideą jest n aĞladownictwo zwierz ąt wodnych. Najcz ĊĞciej pierwowzorem pojazdu jest kszta át i sposób poruszania si Ċ roĪnego rodzaju ryb, cho ü istnieją takĪe konstrukcje wzorowane na páaszczkach, mantach, pingwinach, meduzach i innych. W kaĪdym przypadku konieczna jest jednak dok áadna analiza ruchu zwierz Ċcia o raz opracowanie w áaĞciwego uproszczonego modelu matem atycznego, który zostanie nast Ċpnie wykorzystany do sterownia biomimetycznym robotem mobilnym.
2. KLASYCZNE NAPĉDY POJAZDÓW PODWODNYCH
Zasadniczą rol Ċ w system ie nap Ċdowym poja zdów typu ROV i AUV spe ániają pĊdniki umieszczone w odpowi ednich m iejscach pojazdu podwodnego. Du Īą rol Ċ odgrywa w tym przypadku kszta át korpusu takiego robota. Nale Īy wyodr Ċbniü dwa g áówne typy pojazdów: o ksztaácie zbli Īonym do prostopad áoĞcianu o raz o kszta ácie cylindrycznym . Znakom ita
wiĊkszoĞü pojazdów typu ROV posiada prostopad áoĞcienną ram Ċ, do której mocowane są elementy wyposaĪenia robota, podczas gd y pojazdy AUV budo wane s ą na jczĊĞciej w postaci przypominającej torpedy [1]. Rys. 1 ilustruje przyk áad obu wymienionych powyĪej typów.
Pojazdy ROV posiadaj ą najcz ĊĞciej od trzech do o Ğmiu p Ċdników um ieszczonych w páaszczyĨnie poziomej oraz jeden lub dwa p Ċdniki usytuowane w p áaszczyĨnie pionowej. NapĊdy poziom e realizuj ą ruch w zdáuĪny (w zdáuĪ osi X) i poprzeczny (wzd áuĪ osi Y) pojazdu jak równie Ī umo Īliwiają obrót robota wokó á jego osi pionowej (osi Z), przez odpowiednią zm ianĊ pr ĊdkoĞci obrotowej poszczególnych p Ċdników. Nap Ċdy um ieszczone pionowo odpowiadaj ą za zanurzenie i wynurzenie pojazdu jak równie Ī w pewnym stopniu pozwalają na realizacjĊ przegáĊbienia (obrót wokó á osi Y) [8]. Inne rozwi ązanie stosowane jest w pojazdach typu AUV, w kt órych napĊd w postaci od jednego do czterech p Ċdników usytuowany jest na rufie pojazdu oraz jeden p Ċdnik umieszczony w Ğrodku ciĊĪkoĞci robota, dziaáający w osi piono wej i realizuj ący zmianĊ gáĊbokoĞci zanurzenia. PĊdniki rufowe wraz z dodatkowymi sterami, umoĪliwiają ruch wzdáuĪny pojazdu, zmianĊ kursu i przegáĊbienia.
Do niew ątpliwych zalet nap Ċdu pojazdów typu ROV nale Īy zaliczy ü mo ĪliwoĞü poruszania si Ċ w kierunkach osi kartezja Ĕskiego uk áadu wspó árzĊdnych zwi ązanego z robotem, z jednakową bądĨ zbli Īoną pr ĊdkoĞcią. Dodatkowo istnieje áatwa i szybka moĪliwoĞü zmiany orientacji takiego robota przez zm ianĊ prĊdkoĞci obrotowej odpowiednich pĊdników. Wad ą jest konieczno Ğü zastosowania kabloliny w celu zasilania pojazdu
i przesyáania sygna áów, co w pewnym stopniu ogranicza m obilnoĞü oraz zasi Ċg robota. Gabaryty R OV oraz zastosowanie kabloliny, powoduj ą du Īy opór hydrokinetyczny robota, w związku z czym jego maksymalna prĊdkoĞü postĊpowa jest stosunkowo m aáa i wynosi ok. 3 wĊzáy (1,5 m/s) [10].
Rys. 1. Podwodne roboty mobilne:
a) ROV SEAEYE COUGAR-XT firmy SAAB [10], b) AUV HUGIN 1000 MR firmy Kongsberg Maritime [1]
Pojazdy typu AUV cha rakteryzują si Ċ natom iast znacznie wi Ċkszą m aksymalną pr ĊdkoĞcią postĊpową (ok. 6 w Ċzáów – 3 m /s) [11], jednak efektywny ruch mo Īliwy jest jedynie w kierunku wzdáuĪnym do g áównej os i sy metrii robo ta. Zm ianĊ kursu i przeg áĊbienia realizuje zmiana naporu p Ċdników i/lub zm iana ustawieĔ sterów rufowych. W rzecionowaty ksztaát AUV oraz wyelim inowanie kabloliny, znacznie zmniejszaj ą opór hydrokinetyczny oraz zasi Ċg robota. W ymagają natomiast zastosowania aku mulatorów oraz autonom icznego systemu sterowania. a) b) X Y Z X Y Z
NaleĪy pam iĊtaü, Īe m oc potrzebna do zasilania poj azdu podwodnego jest w przybli Īeniu proporcjonalna do szeĞcianu prĊdkoĞci, zatem potrzeba osiągniĊcia duĪych prĊdkoĞci wymaga zastosowania wydajneg o Ĩródáa zasilan ia – n a przyk áad pakietu akumulatorów o du Īej pojemnoĞci i gĊstoĞci energii dla pojazdów AUV, oraz ograniczenie oporu hydrokinetycznego korpusu robota.
3. NAPĉDY BIOMIMETYCZNE W PODWODNYCH ROBOTACH MOBILNYCH
Dobrze znany fakt wi Ċkszej efektywnoĞci napĊdu falowego ryb ni Ī napĊdu za pomocą Ğruby czy pĊdnika przy zuĪyciu tej samej iloĞci energii, skáania naukowców i inĪynierów do badania sposobów poruszania siĊ zwierząt wodnych oraz implementacji otrzymanych wyników badaĔ w prototypach pojazdów podwodnych. Ró ĪnorodnoĞü fauny m orskiej sprawia, i Ī powstaje coraz wiĊcej oryginalnych konstrukcji podwodnych robotów mobilnych opartych na sposobie poruszania si Ċ wybranych gatunków zwierz ąt m orskich. Niekwestionowany prym wiod ą oczywiĞcie pojazdy przypom inające ryby. W pracy [2] H. K. Low dokona á kla syfikacji istniejących podwodnych robotów mobilnych ze wzgl Ċdu na sposób poruszania si Ċ róĪnych gatunków ryb, przypisuj ąc je do siedm iu kategorii: w Ċgorzowate ( anguiliform), áososioksztaátne ( subcarangiform), okonioksztaátne ( carangiform), tu Ĕczykowate ( tuniform), rozdymkoksztaátne ( ostraciform), rajokszta átne ( rajiform), str Ċtwoksztaátne ( gymnotiform). Kategorie ryb oraz odpowiadające im konstrukcje robotów ilustruje Rys. 2. Najwi Ċksza grupĊ reprezentują roboty typu: subcarangiform i carangiform, które pod wzgl Ċdem
konstrukcyjnym s ą do siebie zbli Īone i na Ğladują ryby z rodziny okoniokszta átnych lub áososioksztaátnych. Niemniej jedn ak ciek awe rozwi ązania reprezentuj ą tak Īe sztuczn e wĊgorze, páaszczki i robot naĞladujący rybĊ-nóĪ (Ducha Brazylijskiego).
Rys. 2. RóĪnorodne konstrukcje biomimetycznych podwodnych robotów mobilnych [2]
Przedstawione na Rys. 2 roboty charakteryzuje ponadto przynale ĪnoĞü do dwóch grup róĪniących siĊ sposobem realizacji nap Ċdu: BCF (ang. Body and/or Caudal Fin) oraz MPF (ang. Median and/or Paired Fin), ĞciĞle zwi ązanym ze sposobem poruszania si Ċ gatunków ryb, które na Ğladują. Roboty z nap Ċdem typu BCF z budowane s ą z kilku cz áonów
poáączonych szeregowo obrotowymi param i kinem atycznymi. Ka Īdy z cz áonów oscyluj ąc z odpowiednią am plitudą i czĊstotliwoĞcią, wprawia w ruch drgaj ący ca áy korpus lub koĔcową cz ĊĞü korpusu robota z páetwą ogonow ą, stanowi ąc t ym s amym g áówny nap Ċd. Pojazdy z nap Ċdem typu MPF na tomiast generuj ą si áĊ na pĊdową za pom ocą faluj ących powierzchni pionowych lub poziom ych im itujących p áetwy. Zm iana geom etrii tych powierzchni realizowana jest przez odpowiednie wychylenia sztywnych pr Ċtów stanowiących promienie p áetwy. Po áoĪenie pro mieni stero wane jes t za po Ğrednictwem me chanizmu korbowego, dĨwigniowego lub krzywkowego pr zez zespóá serwomechanizmów ustawionych szeregowo, z których ka Īdy nap Ċdza jeden prom ieĔ páetwy. Odpowiednia synchronizacja wychyleĔ p oszczególnych serwomechanizm ów skutkuje falowaniem p áetwy w sposób sinusoidalny.
Ze wzgl Ċdu na ograniczony zakres nini ejszej pracy oraz rozwi ązania konstrukcyjne ukierunkowane na rozwój CyberRyby, autorzy om awiają w dalszej cz ĊĞci jedynie okonioksztaátny typ nap Ċdu ( carangiform lu b subcarangiform) podwodnych robotów mobilnych.
4. NAPĉD ROBOTA MOBILNEGO TYPU BCF
Ryby okonioksztaátne poruszają siĊ, wprawiaj ąc w ruch drgaj ący tylną czĊĞü ci aáa i p áetwĊ ogonową, w wyniku czego generuj ą si áĊ na pĊdową. W pracy [5] Junzhi Yu i inni przedstawiają uproszczony m odel m atematyczny ruchu ryb z rodzaju okoniokszta átnych. Ksztaát ciaáa ryby w cza sie wykonywania takiego ruchu mo Īna opisaü w sposób pr zybliĪony za pomocą funkcji (1) ) sin( ) ( ) , ( 2 2 1x c x kx t c t x y Z (1)
gdzie: y to przemieszczenie poprzeczne ciaáa ryby, x – przemieszczenie wzdáuĪne ciaáa ryby, c1 i c2 – odpowiednio liniowy i kwadratowy w spóáczynnik obwiedni fali, k – liczba falowa
ciaáa ryby (k = 2 ʌ/O, O – d áugoĞü f ali c iaáa ryby), Ȧ – pulsacja ( Ȧ = 2 ʌf = 2 ʌ/T), f – czĊstotliwoĞü oscylacji, T = 1/f – okres oscylacji.
Wspóáczynniki {c1, c2, k, Ȧ} są róĪne dla ró Īnych gatunków ryb okoniokszta átnych.
Ich wyznaczenie o raz optym alizacja stanowi du Īy problem. Z pom ocą przychodz ą cz Ċsto algorytmy genetyczne, których zadaniem jest wyznaczenie optym alnych param etrów kinematycznych biorąc pod uwagĊ efektywnoĞü páywania robota.
Rys. 3 Wykres fali ruchu ryb okonioksztaátnych
z dopasowanym áaĔcuchem czáonów mechanizmu napĊdowego robota
ij1 ij2 ij3 ij1 l1 l2 l3 l4 x y
Wykres krzywej opisanej równaniem (1) wraz z dopasowanym i sztywnymi czáonami mechanizmu napĊdowego robota-ryby, przedstawiono na Rys. 3.
W celu uproszczenia zaleĪnoĞci (1) naleĪy usunąü czas t, co prowadzi do równania (2) ) 2 sin( ) ( ) , ( 2 2 1 i M kx x c x c i x y S (2)
gdzie: i = 0,1,2,…, M-1 – jest zm ienną okreĞlającą kolejne dyskretne po áoĪenia fali w czasie caáej sekwencji ruchów, zaĞ M oznacza rozdzielczoĞü sekwencji ruchów i rep rezentuje liczbĊ wszystkich dyskretnych po áoĪeĔ fali w czasie ca áej sekwencji ruchów. Na rys. 4
przedstawiono wykres funkcji (2) dla czterech kolejnych poáoĪeĔ fali (i = 0, 1, 2, 3).
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 X Y i = 0 i = 1 i = 2 i = 3
Rys. 4. Wykres kolejnych poáoĪeĔ fali w zaleĪnoĞci od wartoĞci zmiennej i
Model ogona ryby jako po áączenie szerego we N sztywnych cz áonów, nale Īy nast Ċpnie dopasowaü do krzywej (2) w kolejn ych etapach ruchu. Is totne jest obliczenie wartoĞci kątów wychyleĔ poszczegó lnych cz áonów { ij1, ij2,…, ijN} dla ca áej sekwencji ruchu.
W konsekwencji otrzymuje si Ċ macierz o wym iarach M x N. Obliczone k ąty wychyle Ĕ czáonów oraz czĊstotliwoĞü oscylacji, stanowią parametry ruchu robota-ryby.
W pracy [5] przedstawiono m acierz kątów wychyleĔ poszczególnych czáonów ogona, obliczonych dla czterech segm entów o równej d áugoĞci. Analiza otrzym anych danych ujawnia fakt, Īe zmiana wartoĞci kąta dla k aĪdego czáonu nastĊpuje w sposób sinusoidalny o tej samej czĊstotliwoĞci lecz z róĪną amplitudą i przesuniĊciem fazowym (Báąd! Nie moĪna odnaleĨü Ĩródáa odwoáania. 5).
-15 -10 -5 0 5 10 15 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t ij ij1 ij2 ij3 ij4
W literaturze [4] moĪna znaleĨü symulacjĊ ruchu mechanizmu záoĪonego z trzech szeregowo poáączonych sztywnych cz áonów, w oparciu o równanie (2). Rys. 6 przedstawia graficznie wynik tej symulacji ilustrując sekwencjĊ ruchów ogona robota-ryby.
Rys. 6. Sekwencja kolejnych poáoĪeĔ mechanizmu ogona 4
W oparciu o przedstawiony powy Īej, uproszczony model m atematyczny powsta á biomimetyczny podwodny robot mobilny (Rys. 7a) o czterech, szeregowo po áączonych czáonach ogona wraz z elas tyczną páetwą ogonową oraz p áetwami bocznymi o regulowanym kącie nachylenia w celu realizacji zm iany gáĊbokoĞci. Peány opis konstrukcji m oĪna znaleĨü w literaturze [4, 5, 6]. Rys. 7b ilustruje natom iast Robo-karpia, którego gáówny mechanizm napĊdowy sk áada si Ċ z trzech cz áonów i równie Ī wyk orzystuje m odel m atematyczny przedstawiony powyĪej.
Rys. 7. Przykáady Biomimetycznych robotów mobilnych typu BCF: a) Robotnic fish skonstruowany przez chiĔskich naukowców [6]
b) Robo-Carp zbudowany na Uniwersytecie w Essex [3]
Wykonywanie skr Ċtów przez roboty-ryby powinno równie Ī odzwierciedla ü zachowanie ich Īywych odpowiedników. Nale Īy tuta j roz róĪniü dwa sposoby [3]: wykonywanie skr Ċtu w czasie páyniĊcia na wprost (cruise-in-turning) oraz gwaátowny skrĊt z pozycji stacjonarnej (sharp-turn). Pierwszy z wymienionych sposobów polega na wygi Ċciu gáównej osi ciaáa ryby z zachowaniem oscylacyjnego ruch u poszczeg ólnych sekcji ogona. Wówczas trajekto ria ruchu ryby jest áukiem g áadkim. Praktyczn a realizacja takiego rod zaju skr Ċtu w robocie polega na zmianie punktu Ğrodkowego oscylacji poszczególnych czáonów. Drugi typ skr Ċtów jest o wiele bardziej z áoĪony pod wzgl Ċdem opisu m atematycznego jednak umo Īliwia uzyskanie wiĊkszego kąta i prĊdkoĞci kątowej w czasie sk rĊtu. Brak jednoznacznego modelu matematycznego dla gwa átownego skr Ċtu, uniem oĪliwia tak Īe o pracowanie system u
dokáadnej kontroli takiego manewru. W praktyce, realizacja tego typu ruchu sprowadza siĊ do gwaátownego wychylenia wszystkich cz áonów ogona robota w jednym kierunku, a nast Ċpnie z maáą prĊdkoĞcią wyprostowaniu kolejnych czáonów począwszy od pierwszego.
W celu rea lizacji zm iany g áĊbokoĞci przedstawione powy Īej konstrukcje robotów wykorzystują zm ianĊ konta nachylenia p áetw bocznych i/lub zamontowany wewn ątrz zbiornik balastowy pe ániący funkcje sztucznego p Ċcherza p áawnego. Na jlepszym rozwiązaniem wdaje siĊ byü poáączenie tych dwóch sposobów regulacji gáĊbokoĞci páywania. Praca L. Zh ang i innych [6] dowodzi jedn ak, Īe opracowanie efektywnego uk áadu regulacji gáĊbokoĞci zanurzenia biom imetycznego robota podwodnego nie jest zadaniem prostym . Zhang i inni zaproponowali system zm iany kąta nachylenia p áetw bocznych wykorzystuj ący regulator typu fuzzy. Jako elem ent sprz ĊĪenia zwrotnego realizu jący pom iar g áĊbokoĞci zastosowano czujnik ci Ğnienia. Gáównym problemem w tym przypadku by áo wystĊpowania niepewnoĞci pom iaru g áĊbokoĞci spowodowanej zawirow aniami wody w wyniku ruchu falowego robota oraz zastosow anie taniego czujnika ci Ğnienia o zbyt m aáej dok áadnoĞci pomiaru. Niem niej jed nak zasto sowanie reg ulatora typ u fuzzy umo Īliwiáo robotow i osiągniĊcie zadanej gáĊbokoĞci z dopuszczalnym báĊdem.
5. ROZWÓJ CYBERRYBY
Projekt CyberRyba jako praca magisterska realizowany byá przy ograniczonym budĪecie i nie uwzglĊdniaá m odelu m atematycznego ruchu ryb a jedynie spostrze Īenia i eksperymentalną wiedzĊ wynikającą z obserwacji zachowa Ĕ karpia. Zaprojek towany przez autorów robot [7], naleĪy zaklasyfikowaü jako jednostk Ċ z nap Ċdem typu BCF, czyli na Ğladującą ryby z rz Ċdu okonioksztaátnych. W dalszych pracach rozwojowych CyberRyby zostaá uwzglĊdniony model matematyczny ruchu g áównego opisany w rozdziale 4 oraz zosta á opracowany bardziej efektywny sposób zm iany g áĊbokoĞci p áywania uwzgl Ċdniający: zmian Ċ kąta n achylenia páetw bocznych, wykorzystanie zbiornika balastowego oraz m echanizm z miany po áoĪenia Ğrodka ci ĊĪkoĞci robo ta w celu realizacji ob rotu wokó á osi poprzecznej do g áównej osi CyberRyby. Przewiduje siĊ, Īe sposób páywania takiej konstrukcji bĊdzie musiaá uwzglĊdniaü takĪe realizacjĊ zmiany kursu za pomocą dwóch trybów: páyniĊcia po áuku oraz gwaátownego skrĊtu. Docelowy robot b Ċdzie zbudowany z czterech szeregowo po áączonych czáonów, zaĞ ksztaát zewnĊtrzny caáej konstrukcji korpusu bĊdzie maksymalnie zbliĪony do ksztaátu karpia. Planuje si Ċ zaprojektow aü op áywowy, hydrodynam iczny kszta át poszczególnych cz áonów, a nastĊpnie wykonaü je jedną z metod Rapid Prototyping.
System sterowania nowej wersji CyberRyby b Ċdzie (tak jak poprzednio) sk áadaü siĊ z dwóch podsystem ów: podrz Ċdnego, um ieszczonego wewn ątrz robota uk áadu steruj ącego oraz nadrz Ċdnego, w postaci zewn Ċtrznego komputera z odpowiednim oprogram owaniem, generującego zasadn icze polecenia dla uk áadu podrz Ċdnego. Jako elem ent pom iarowy parametrów ruchu, wykorzystany w p Ċtli sprz ĊĪenia zwrotnego uk áadu steruj ącego ruchem robota, planuje si Ċ wykorzysta ü inercjalny system pozycjonowania wyposa Īony w trzy Īyroskopy, trzy akcelerom etry oraz m agnetometr. Odpowiednie um ieszczenie inercjalneg o ukáadu pomiarowego w ewnątrz rob ota, um oĪliwi pom iar przyspiesze Ĕ w trzech osiach lokalnego kartezjaĔskiego ukáadu wspóárzĊdnych oraz obrotów i prĊdkoĞci obrotowych wokóá tych osi. Dodatkowo do okre Ğlenia g áĊbokoĞci zanurzenia wykorzystany zostanie czujnik ciĞnienia, jednak dane uzyskane w ten sposób b Ċdą korygowane za pom ocą inform acji odebranych z system u inercj alnego. Istotn e jest tak Īe um ieszczenie wewn ątrz robota czujników odleg áoĞci wykorzystanych do detekcji ew entualnych przeszkód i procesu planowania trajektorii ruchu.
Tak zbudowany podwodny robot m obilny pos áuĪy nast Ċpnie do przeprowadzenia badaĔ efektywnoĞci napĊdu biomimetycznego w poje Ĩdzie podwodnym, przy wykorzystaniu róĪnych algorytm ów st erujących. Planuje s iĊ tak Īe opracowanie autonom icznego trybu poruszania siĊ robota z planowaniem trajektorii ruchu i unikaniem kolizji z przeszkodami.
Wykorzystując model matematyczny przedstawiony w rozdziale 4, autorzy zbudowali kolejny prototyp CyberRyby o l Īejszej i bardziej zwartej konstrukcji. Powsta á on w celu przetestowania wp áywu wym uszeĔ sinusoidalnych wychyle Ĕ poszczególnych cz áonów na sposób i pr ĊdkoĞü páywania robota. Podobnie jak oryginalna wersja CyberRyby, nowa konstrukcja tak Īe zbudowana jest z czterech cz áonów (g áowa i trzy cz áony ogona). K ąty wychyleĔ p oszczególnych cz áonów zm ieniają si Ċ w sposób sinusoidalny z jednakow ą czĊstotliwoĞcią, jednak z ró Īną a mplitudą i przesuni Ċciem fazowym. W celu zm iany gáĊbokoĞci p áywania, zaim plementowano wewn ątrz robota zbiornik balastowy nape ániany wodą za pomoc ą pompki zĊbatej, oraz zm ianĊ konta nachylenia p áetw bocznych. W nowej wersji CyberRyby zastosowano tak Īe dwa sposoby zmiany kierunku páywania przedstawione w rozdziale 4, mianowicie páywanie po áuku oraz gwaátowny skrĊt. Prototyp sterowany jest za pomocą m odelarskiej aparatury radiowej dzia áającej na cz ĊstotliwoĞci 35 MHz. W ygląd robota przedstawiono na zdjĊciu (Fot. 1).
Fot. 1. Prototyp drugiej wersji CyberRyby
Nowy prototyp CyberRyby przetestowano na basenie sportowym o d áugoĞci 25 m i maksymalnej gáĊbokoĞci 2 m. Przy maksymalnej zaprogramowanej czĊstotliwoĞci oscylacji ogona wynosz ącej 1,3 Hz, z mierzono Ğrednią pr ĊdkoĞü na odcinku 20 m , wynos zącą ok. 0,2 m/s. CyberRyba zdolna by áa tak Īe do efektywnego nurkowania do g áĊbokoĞci 1,5 m i ponownego wynurzenia. Zespó á autorów b Ċdzie dalej kontynuowa á prace n ad rozwojem CyberRyby z uwzglĊdnieniem kierunków opisanych powyĪej.
6. PODSUMOWANIE
Klasyczny nap Ċd pojazdów podwodnych w postaci p Ċdnika, mi mo i Ī bardzo rozpowszechniony w konstrukcjach ROV i AUV, posiada szereg wad, z których kluczow ą rolĊ odgrywa niska sprawno Ğü. ChĊü skonstruowania pojazdu AUV mo Īliwie najefektywniej poruszającego si Ċ w Ğrodowisku wodnym oraz m inimalnie oddzia áującego na faun Ċ i flor Ċ wodną, zaowocowa áa pracam i nad rozwojem biom imetycznych n apĊdów podwodnych
robotów mobilnych. Wiele oĞrodków naukowych na ca áym Ğwiecie prowadzi badania w tej dziedzinie w wyniku czego powsta áo du Īo innowacyjnych konstrukcji. W rozwi ązaniach technicznych dom inują roboty wykorzystuj ące oscylacy jny ruch korpu su, na Ğladujące ryby z rodziny okonioksztaátnych, áososioksztaátnych lub tu Ĕczykowatych. Istnieje tak Īe grupa pojazdów nap Ċdzana falowym ruchem p áetw im itujących zachowan ie p áaszczki, m anty, Ducha Brazylijskiego lub kalmara. Niemniej jednak wszystkie te ro związania dalekie są od niedoĞcignionych pierw owzorów przem ierzających z gracj ą gáĊbiny mórz, rzek, jezio r. Wynika to z faktu, Īe ruch organizmów wodnych wci ąĪ nie jest dokáadnie poznany i opisany za pom ocą narz Ċdzi m atematycznych. Jednym z uproszczo nych m odeli (przeds tawionym w niniejszej pracy) jest wykorzystanie równania fali biegn ącej o rosn ącej amplitud zie. W dalszym ciągu brak w literaturze dok áadnego opisu bardziej z áoĪonych zjawisk hydrodynamicznych zachodz ących wokó á poruszaj ącej s iĊ ryby. W niosek jest oczywisty. W dziedzinie biom imetycznych nap Ċdów pojazdów podwodnych jest jeszcze du Īo do zrobienia. P ocząwszy od opracowania odpowiednich m odeli m atematycznych ruchu ryb, skoĔczywszy na algorytm ach steruj ących um oĪliwiających robotom prac Ċ w pe áni autonomiczną. Nie m oĪna jednak wykluczy ü, Īe w nieodleg áej przyszáoĞci powstanie robot, który drastycznie zmieni sposób poruszania siĊ pojazdów podwodnych.
BIBLIOGRAFIA
1. Autonomous Undersea Vehicle Applications Center, http://auvac.org/, Listopad 2010. 2. H. K. Low, Modelling and parametric study of modular undulating fin rays for fish
robots, Mechanism and Machine Theory, Elsevier Ltd. 2008, p. 615–632.
3. H. Hu, J. Liu, I. Dukes, G. Francis, Design of 3D Swim Patterns for Autonomous Robotic Fish, Proceed ings of the 2006 IEEE/RSJ International Conference o n
Intelligent Robots and Systems, Beijing 2006.
4. J. Shao, L. Wang, J. Yu, Development of an artificial fish-like robot and its application
in cooperative transportation, Control Engineering Practice No. 16, 2008, p. 569–584.
5. J. Yu, S. Wang, M. Tan, Design of a Free-swimming Biomimetic Robot Fish,
Proceedings of the 2003 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 2003, p. 95–100.
6. L. Zhang, W. Zhao, Y. Hu, D. Zhang, L. W ang, Development and Depth Control of
Biomimetic Robotic Fish , Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference
on Intelligent Robots and Systems, San Diego 2007.
7. M. Malec, M. Morawski, D. W ojtas, J. Zaj ąc, CyberRyba – podwodny robot mobilny, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 2/2010, s. 331–340.
8. P. Szymak , Using of fuzzy logic method to control of underwater vehicle in inspection
of oceanotechnical objects, Artificial In telligence and Soft Com puting, Polish Neural
Network Society, Warsaw 2006, p. 163–168,
9. Remotely Operated Vehicles C ommittee of the Marine Technology Society, http://www.rov.org/, Listopad 2010.
10. Roper Resources Ltd., http://www.roperresources.com/, Listopad 2010.
11. R. W. Button, J. Kam p, T. B. Curtin, J. Dryden, A Survey of Missions for Unmanned
