Σχεδίαση και ανάπτυξη διατάξεων πτερυγίου κυματοειδούς κίνησης.

Abstract

Τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον για εφαρμογές που αφορούν στην επιστημονική μελέτη, στην προστασία και στη βιώσιμη εκμετάλλευση των θαλάσσιων φυσικών πόρων. Η ανάγκη για απομακρυσμένη πρόσβαση στο βυθό οδήγησε στηνανάπτυξη μη-επανδρωμένων υποβρύχιων οχημάτων (Unmanned Underwater Vehicles, UUVs), χαρακτηριστικά παραδείγματα των οποίων αποτελούν τα τηλεχειριζόμενα υποβρύχια οχήματα (Remotely Operated Vehicles, ROVs) και τα αυτόνομα υποβρύχια οχήματα (Autonomous Underwater Vehicles, AUVs). Αρκετές εκ των εφαρμογών αυτών (π.χ. έλεγχος και συντήρηση υποθαλάσσιων κατασκευών) παρουσιάζουν αυξημένες απαιτήσεις εκτέλεσης ελιγμών ακριβείας από το υποβρύχιο όχημα, στις οποίες τα συμβατικά μέσα πρόωσης αδυνατούν να ανταποκριθούν πλήρως. Η ανάπτυξη βιομιμητικών μηχανισμών πρόωσης, αντλώντας έμπνευση από την κίνηση θαλάσσιων οργανισμών μπορεί να προσδώσει στα υποβρύχια ρομπότ μεγαλύτερη ικανότητα εκτέλεσης ελιγμών, αυξημένο βαθμό ενεργειακής απόδοσης και μειωμένο ακουστικό ίχνος. Στο πλαίσιο αυτό, ιδιαίτερου ενδιαφέροντος είναι οι μηχανισμοί κίνησης που απαντώνται στα μαχαιρόψαρα, τις σουπιές, τα καλαμάρια και τα σαλάχια, είδη που μετακινούνται στο νερό με καταπληκτική ευελιξία μέσω κυματοειδών κινήσεων των εύκαμπτων πλευρικών, ραχιαίων ή εδρικών πτερυγίων που φέρουν στο σώμα τους. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ήταν η ανάπτυξη πειραματικών διατάξεων με μηχανισμούς πτερυγίου και η μελέτη ενσωμάτωσής τους σε υποβρύχια οχήματα για την παραγωγή πρόωσης. Σε πρώτο στάδιο κατασκευάστηκαν δύο πειραματικές διατάξεις με μηχανισμούς πτερυγίου που αποτελούνται από πλήθος αυτόνομα οδηγούμενων ακτίνων, οι οποίες είναι διασυνδεδεμένες μέσω τμήματος ελαστικής μεμβράνης Οι μηχανισμοί αυτοί χρησιμοποιήθηκαν για την πειραματική αποτίμηση και μελέτη τόσο των κινηματικών αλλά και των δυναμικών χαρακτηριστικών της κίνησής τους, με βασικά κριτήρια αξιολόγησης την πιστή αναπαραγωγή των επιθυμητών προφίλ κίνησης και κατά συνέπεια την παραγωγή προωστικών δυνάμεων. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την αξιολόγηση των μηχανισμών αυτών οδήγησαν στην ανάπτυξη, τον έλεγχο και την πειραματική αποτίμηση ενός υποβρύχιου ρομποτικού οχήματος, η πρόωση του οποίου βασίζεται σε ένα ζεύγος πτερυγίων κυματοειδούς κίνησης. Για την παραγωγή των μοτίβων κίνησης των δύο πτερυγίων χρησιμοποιείται γεννήτρια κεντρικού πρότυπου ρυθμού (Central Pattern Generator, CPG), ενώ οι στρατηγικές ελέγχου που υλοποιήθηκαν αποσκοπούν στον έλεγχο του προσανατολισμού του ρομποτικού οχήματος, με χρήση ενός συστήματος προσδιορισμού προσανατολισμού (AHRS) . Σε γενικές γραμμές, οι διατάξεις που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της εργασίας αυτής, καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα των μηχανισμών πτερυγίου όσον αφορά στην παραγωγή πρόωσης. Επίσης, προκύπτουν κάποια ιδιαίτερα ενδιαφέροντα συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση των κινηματικών παραμέτρων των πτερυγίων, τόσο στην παραγωγή ώσης, αλλά και γενικότερα στην ποιότητα κίνησης του ρομποτικού οχήματος.

In recent years, the research and scientific community has shown considerable interest in the study, the protection, and the sustainable exploitation of the oceans’ natural resources. This need for remote underwater access, has led to the development of Unmanned Underwater Vehicles (UUVs), characteristic examples of which are the Remotely Operated Vehicles (ROVs) and the Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). There is an increasing demand for UUVs in applications that include maneuvering, stable station keeping and orientation control in the presence of water currents. However, the traditional propulsion methods exhibit diminished performance in these areas. To address this issue, research has turned to the development of novel, bio-inspired propulsion mechanisms which are based on the morphology and functionality of the undulating fins of marine species such as electric eels, triggerfish, rays and cuttlefish. In this context, the primary aim of this thesis is the development and study of experimental undulatory fin mechanisms with the possibility of integrating them in UUVs. Initially, two experimental setups were developed, involving undulatory fin mechanisms that are comprised of individually actuated fin-rays, interconnected by an elastic membrane. These prototypes were used in the experimental evaluation and study of the kinematics and dynamic characteristics of undulatory fin propulsion. The main assessment criteria were the faithful reproduction of the desired motion profiles and, consequently, the propulsive force generation. The findings from these studies, led to the development, control and experimental evaluation of an underwater robotic vehicle that employs for propulsion a pair of laterally mounted undulatory fins. The two fins’ desired motion patterns are produced via two Central Pattern Generator networks, and the robot’s orientation on the x-y plane is achieved through closed loop control schemes using an AHRS unit. Overall, the experimental setups that were developed as part of this thesis, demonstrate the efficacy of undulatory fins for propulsion generation and highlight the effect of the various kinematic parameters on the generated thrust.