Ανάπτυξη πειραματικής διάταξης πτερυγίου κυματοειδούς κίνησης.

Abstract

Ο πλανήτης μας στην επιφάνεια του καλύπτεται κατά τα τρία τέταρτα από νερό, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολη την εξερεύνηση του. Το σημαντικό ενδιαφέρον που παρουσιάζει το θαλάσσιο περιβάλλον από βιολογικής άποψης (μελέτη και προστασία των σπάνιων οικοσυστημάτων του) αλλά και από ενεργειακής άποψης (αξιοποίηση των φυσικών πόρων του), έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη μη-επανδρωμένων Αυτόνομων Υποβρύχιων Οχημάτων (Autonomous Underwater Vehicles, AUV). Οι επιχειρησιακές τους όμως ανάγκες απαιτούν συστήματα πρόωσης μεγάλης αποδοτικότητας αλλά και με τη δυνατότητα υποστήριξης ελιγμών μεγάλης ακρίβειας μέσα στο υδάτινο περιβάλλον. Προς την κατεύθυνση αυτή, η βιομιμητική επιστημονική προσέγγιση προτάσσει την ανάπτυξη μηχανισμών πρόωσης, η σχεδίαση των οποίων βασίζεται (‘μιμείται’) τους τρόπους παραγωγής πρόωσης διαφόρων υδρόβιων οργανισμών. Οι βιο-εμπνευσμένοι αυτοί προωστήρες παρουσιάζουν αυξημένη αποδοτικότητα, ακρίβεια ελιγμών, αθόρυβη λειτουργία κολύμβησης και μερικοί από αυτούς κατορθώνουν πολύ μεγάλες ταχύτητες. Ένας τύπος βιομιμητικού προωστήρα είναι ο ρομποτικός μηχανισμός πτερυγίου κυματοειδούς κίνησης, εμπνευσμένος από την κίνηση ορισμένων ειδών σουπιάς και ηλεκτροφόρων χελιών. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η πειραματική αξιολόγηση ενός τέτοιου πρωτοτύπου πτερυγίου κυματοειδούς κίνησης, η σχεδίαση του οποίου έχει βασιστεί στη μορφολογία και τα χαρακτηριστικά κίνησης που εμφανίζουν τα επιμήκη πτερύγια που απαντώνται σε ορισμένα είδη ηλεκτροφόρων χελιών. Το πρωτότυπο απαρτίζεται από οκτώ ενεργά-ελεγχόμενες ακτίνες, οι οποίες διασυνδέονται μεταξύ τους με μια εύκαμπτη μεμβράνη. Για την παραγωγή των μοτίβων κίνησης των ακτίνων, ώστε να δημιουργούνται οι κυματώσεις του πτερυγίου, υλοποιήθηκε μια αρχιτεκτονική ελέγχου που βασίζεται σε τεχνητές γεννήτριες κεντρικού πρότυπου ρυθμού (Central Pattern Generators, CPGs). Η αποτίμηση της ικανότητας παραγωγής αυτό-πρόωσης του εν λόγω μηχανισμού διερευνήθηκε πειραματικά μέσω μιας σειράς παραμετρικών μελετών. Τα αποτελέσματα από την μελέτη αυτή κατέδειξαν τη δυνατότητα του πρωτότυπου να επιτύχει ταχύτητες έως και 1.45 μήκη πτερυγίου ανά δευτερόλεπτο, αναδεικνύοντας την επίδραση που έχουν οι διάφορες κινηματικές παράμετροι σχετικά με την επίτευξη ταχύτητας και αποδοτικότητας του κυματισμού. Στο Κεφάλαιο 1 της πτυχιακής γίνεται μια σύντομη αναφορά στο ευρύτερο ερευνητικό πλαίσιο της ανάπτυξης βιομιμητικών υποβρύχιων ρομποτικών συστημάτων, στο οποίο και εντάσσεται η παρούσα εργασία. Παρουσιάζονται επίσης οι κυριότερες ερευνητικές προσπάθειες που έχουν αναφερθεί στη διεθνή βιβλιογραφία σχετικά με την ανάπτυξη πτερυγίων κυματοειδούς κίνησης για χρήση σε υποβρύχια ρομποτικά συστήματα. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφεται ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη του ρομποτικού μηχανισμού, παρουσιάζοντας αναλυτικά τα μηχανολογικά και ηλεκτρονικά τμήματα από τα οποία απαρτίζεται. Το Κεφάλαιο 3 πραγματεύεται την επιλογή και μοντελοποίηση της στρατηγικής που αναπτύχθηκε για την υλοποίηση της κυματοειδούς κίνησης του πτερυγίου, η οποία βασίζεται σε μια δομή διασυνδεδεμένων μη-γραμμικών ταλαντωτών, οι οποίοι ονομάζονται CPGs. Παρουσιάζονται επίσης οι δύο αρχιτεκτονικές που αναπτύχθηκαν για την υλοποίησης της παραπάνω στρατηγικής ελέγχου της κυματοειδούς κίνησης για την πειραματική διάταξη του πτερυγίου. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται η οργάνωση και τα αποτελέσματα των πειραματικών μελετών που πραγματοποιήθηκαν για την αποτίμηση της απόδοσης του μηχανισμού του πτερυγίου κυματοειδούς κίνησης. Τέλος, μια σειρά σχόλιων, συμπερασμάτων και προτάσεων για μελλοντική εξέλιξη, με βάση τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη, παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 5.

In recent years, the development of unmanned undersea vehicles (UUV) has received considerable attention by the research community, driven by an ever-increasing number of applications related to the scientific study, the protection and the sustainable exploitation of the oceans’ natural resources. In order to address various aspects of these demanding applications, research has turned to the study of the remarkable propulsion mechanisms of fish and sea mammals, which enable them to attain high swimming speeds, as well as to maneuver with great agility in the water environment. Since these capabilities far exceed those of conventional man-made propulsive mechanisms, it is expected that the study of the biomechanics of underwater locomotion will lend itself to the development of a new generation of high-performance and energy-efficient biomimetic underwater robotic vehicles. Undulatory fin electric eel species, is one such approach currently under investigation. Within this framework, this final year project involved the design and experimental valuation of an undulatory fin prototype, comprised of eight actively-controlled fin rays, which are interconnected by a flexible membrane. A control architecture, based on an artificial Central Pattern Generator (CPG), is used to produce the rays’ motion pattern associated with the undulatory movement of the fin. Experimental results from a parametric study indicate that the prototype can achieve speeds up to 1.45 fin lengths per second, and highlight the effect of the various kinematic parameters on the attained velocity and wave efficienc