Jak kształt płetwy ogonowej wpływa na siłę ciągu pojazdu podwodnego z napędem falowym

Transkrypt

1 MALEC Marcin 1 MORAWSKI Marcin 2 Jak kształt płetwy ogonowej wpływa na siłę ciągu pojazdu podwodnego z napędem falowym WSTĘP W obliczu światowego kryzysu finansowego oraz ograniczonych zasobów nieodnawialnych źródeł energii w postaci ropy naftowej, gazu ziemnego, węgla kamiennego, ludzkość codziennie stoi przed licznymi wyzwaniami mającymi na celu ograniczenia zużycia energii w każdej gałęzi przemysłu, transportu i dziedzinie życia codziennego. W dobie swobodnego handlu międzynarodowego i wciąż rosnącej międzykontynentalnej wymiany towarowej, istotną sprawą staje się zminimalizowanie kosztów transportu. Na dzień dzisiejszy rozróżniamy cztery główne warianty transportu: transport drogowy, kolejowy, lotniczy i wodny. Z punktu widzenia historycznego to ten ostatni odegrał najistotniejsze znaczenie w rozwoju cywilizacji. Już w starożytności umożliwiał transport towarów i migracji ludzkości. Również dziś żegluga morska i śródlądowa jest istotnym elementem gospodarki światowej. Transport wodny jest doskonałym środkiem lokomocji z punktu widzenia niskich kosztów usług logistycznych przypadających na jednostkę przewożonego ładunku w porównaniu do innych środków transportu. W związku z powyższym uzasadnione jest dążenie do udoskonalenia systemów napędowych jednostek pływających. Systemy napędowe jednostek pływających przedstawiają szerokie spektrum począwszy od pędników mięśniowych czyli klasycznych wioseł, przez pędniki wiatrowe czyli żagle a skończywszy na pędnikach mechanicznych czyli kołach łopatkowych, wszelkiego rodzaju śrubach napędowych i pędnikach strumieniowych. Do tego licznego zbioru coraz częściej obecnie dołączają pędniki biomimetyczne, czyli takie, które w swojej zasadzie działania wykorzystują analogie do organizmów wodnych. Napędy te w większości bazują na ruchu oscylacyjnym lub falowym elementów wykonawczych (korpusu, płetw). Rozróżnić należy tutaj dwie grupy: napędy typu MPF (median and/or pair fin propulsion), w których siła napędowa jest skutkiem pracy mechanizmów odwzorowujących ruch płetw bocznych ryb oraz napędu BCF (body and caudal fin propulsion) naśladującego ruch falowy korpusu i płetwy ogonowej. Drugi sposób stanowi obecnie najprężniej rozwijający się napęd niekonwencjonalny. Taki stan rzeczy jest spowodowany pojawieniem się nowych materiałów takich jak: stopy z pamięcią kształtu [7], materiały piezoelektryczne [3], materiały polimerowe odkształcające się pod wpływem pola elektrycznego [6] itp. wykazujących właściwości użyteczne z punktu widzenia napędu biomimetycznego czyli możliwość generowania oscylacji lub falowania płetw z jednoczesną dokładną kontrolą tego ruchu. Innym rozwiązaniem znacznie częściej spotykanym w literaturze jest odpowiednie zaprojektowanie korpusu pojazdu i wykorzystanie sztywnych elementów mechanizmu napędzanych klasycznymi serwomechanizmami elektrycznymi umieszczonymi wewnątrz poszczególnych segmentów. Coraz większa miniaturyzacja zarówno napędów jak i układów elektronicznych jak również rozwój systemów mikroprocesorowych i czujników typu MEMS umożliwia opracowanie tego typu napędu stosunkowo wiernie odwzorowującego kształt i kinematykę ryby. Przykładem takiego pojazdu jest opisywana w niniejszym artykule CyberRyba. Istotą napędu opisywanego pojazdu podwodnego jest ruch falowy sekcji ogonowej wykonanej w postaci trzech sztywnych segmentów połączonych szeregowo obrotowymi parami kinematycznymi napędzanymi serwomechanizmami. Ostatni segment jest zakończony elastyczną płetwą. Właściwa synchronizacja ruchów serwomechanizmów skutkuje falowaniem całego ogona. Pojazd dodatkowo posiada ruchome 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Mechaniczny, Kraków, Al. Jana Pawła II 37, Tel: , Fax: , mmalec@mech.pk.edu.pl 2 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Mechaniczny, Kraków, Al. Jana Pawła II 37, Tel: , Fax: , morawski@mech.pk.edu.pl 4112

2 płetwy boczne, które służą jako ster głębokości ale także posiadają możliwość ruchu oscylacyjnego dzięki czemu generują dodatkową siłę ciągu. CyberRyba posiada także zbiornik balastowy o sterowanym wypełnieniu umożliwiający zmianę wyporności. Szczegóły konstrukcyjne oraz opis matematyczny kinematyki napędu głównego zostały przedstawione we wcześniejszych opracowaniach [4][5], w których opublikowano także wyniki badań wpływu parametrów sterowania na prędkość i siłę ciągu pojazdu. Natomiast w niniejszym artykule autorzy prezentują wyniki badań wpływu parametrów konstrukcyjnych płetwy ogonowej na siłę ciągu CyberRyby dla kilku wybranych arbitralnie nastaw układu sterowania. Celem prowadzonych działań jest udoskonalenie napędu falowego w którym upatruje się realną konkurencję dla klasycznych systemów pędnikowych z uwagi na ich potencjalną większą sprawność. 1. PRZYGOTOWANIE EKSPERYMENTU Przedstawione badania są kontynuacją wieloletnich prac nad polskim pojazdem podwodnym naśladującym wygląd i sposób poruszania ryb. Opisywane badania są rozszerzeniem zrealizowanych wcześniej testów przedstawionych w pracy [5], dla płetw ogonowych wykonanych z jednego rodzaju materiału (gumy o grubości 3mm) lecz zmiennym kształcie, długości i szerokości dla wybranych nastaw układu sterowania. Rysunek 1 przedstawia wymiary charakterystyczne płetwy ogonowej osiowo-symetrycznej natomiast w tabeli 1 zebrano numery poszczególnych płetw i ich wymiary. Rys. 1 Kształt i wymiary płetwy ogonowej Tab. 1 Numery płetw ogonowych L[mm] h[mm] Stanowisko badawcze w postaci stalowej ramy z przymocowanym nad powierzchnią wody tensometrycznym czujnikiem siły zanurzono w basenie o wymiarach 4m x 2m x 1m. Do ustawionego pionowo czujnika przymocowano cienką nierozciągliwą linkę, która połączono poprzez rolkę z zanurzonym w wodzie pojazdem, uzyskując w ten sposób zmianę kierunku działania siły z poziomego na pionowy (nie uwzględniono oporu rolki prowadzącej linkę jako znikomo małego). Czujnik siły typu AST KAP-S [2] o zakresie 10[N] i rozdzielczości 0,001[N] podłączono do portu USB komputera za pośrednictwem przetwornika pomiarowego typu AST BA 643 [1] uzyskując w ten sposób możliwość rejestracji próbek z częstotliwością 400[Hz]. Przed rozpoczęciem pomiarów czujnik wytarowano dzięki czemu wyeliminowano siłę ciężkości działającą na elementy czujnika. Pomiary wykonano przy sześciu nastawach parametrów sterowania dla każdej płetwy uzyskując tym samym 42 próby. Nastawy parametrów sterowania dotyczyły trzech wartości częstotliwości falowania f[hz] oraz dwóch wartości bezwymiarowego parametru R określającego procentowy udział długości ogona CyberRyby w długości generowanej fali. Parametr R bezpośrednio decyduje o amplitudzie wychyleń poszczególnych sekcji ogona. Szczegółowy opis dotyczący sterowania pojazdu zawiera publikacja [4]. Każdorazowy pomiar obejmował rejestrację siły ciągu pojazdu w czasie minimum 20 sekund ruchu. Na podstawie zarejestrowanych danych w czasie od 5-tej do 20-tej sekundy ruchu obliczono wartość średnią siły oraz odchylenie standardowe, które przedstawia stabilność generowanej siły ciągu. Fotografia 2 przedstawia CyberRybę na stanowisku badawczym. 4113

3 Fot. 2 Widok stanowiska badawczego 2. WYNIKI EKSPERYMENTU Dla zadanych parametrów sterowania i różnych płetw ogonowych otrzymano przebiegi siły charakteryzujące się różnym rozrzutem wartości siły wokół wartości średniej. Dla niektórych płetw przy konkretnych wartościach sterowania charakter siły ciągu odznaczał się stosunkowo małymi oscylacjami niż dla innych. Na rysunku 3a przedstawiono przebieg siły ciągu dla płetwy nr 29 odznaczający się małymi oscylacjami, podczas gdy dla płetwy nr 41 oscylacje siły ciągu są znaczne co można zaobserwować na rysunku 3b. a) b) Rys. 3 Przebiegi siły ciągu dla różnych płetw i różnych nastaw układu sterowania a) pomiar nr 29 (płetwa L=160[mm], h=230 [mm]), f=1,4[hz], R=0,6, b) pomiar nr 41 (płetwa L=180[mm], h=130[mm]), f=1,4[hz], R=0,6, Wyniki średniej siły ciągu oraz odchyleń standardowych dla każdej płetwy przedstawiono w sposób graficzny na rysunku 4 przy pomocy wykresów powierzchniowych. 4114

4 a) b) c) d) e) f) 4115

5 g) h) i) j) k) l) Rys. 4 Wykresy średniej siły ciągu oraz odchylenia standardowego dla sześciu nastaw parametrów sterowania a), b) odpowiednio średnia siła ciągu i odchylenie standardowe dla R=0,4, f=0,6[hz], c), d) odpowiednio średnia siła ciągu i odchylenie standardowe dla R=0,4, f=1,0[hz], e), f) odpowiednio średnia siła ciągu i odchylenie standardowe dla R=0,4, f=1,4[hz], g) h) odpowiednio średnia siła ciągu i odchylenie standardowe dla R=0,6, f=0,6[hz], i), j) odpowiednio średnia siła ciągu i odchylenie standardowe dla R=0,6, f=1,0[hz], k), l) odpowiednio średnia siła ciągu i odchylenie standardowe dla R=0,6, f=1,4[hz] Maksymalną średnią wartość siły ciągu dla R=0,4 równą 1,684[N] osiągnięto dla płetwy nr 15 o wymiarach L=120[mm], h=230[mm] przy częstotliwości falowania ogona f=1,6[hz]. Natomiast dla R=0,6 maksymalną średnią wartość siły ciągu równą 2,270[N] osiągnięto dla płetwy nr

6 o wymiarach L=100[mm], h=130[mm] przy częstotliwości falowania ogona f=1,6[hz]. Przy małych wartościach parametru R (0,4) oraz małych częstotliwościach falowania (f=0,6[hz]) wpływ kształtu i wymiarów płetwy na siłę ciągu jest niewielki. Generowana siła nie przekracza 0,319[N]. Podobnie dla R=0,6 i f=0,6[hz] generowana siła nie przekracza 0,638[N]. W obu przypadkach odchylenie standardowe dla wszystkich płetw jest niewielkie. Przy małych wartościach parametru R (0,4) i średnich częstotliwościach falowania (f=1,0[hz]) wpływ kształtu i wymiarów płetwy na siłę ciągu jest już zauważalny. Dla tych nastaw sterowania im dłuższa płetwa tym większa siła ciągu lecz również większe odchylenia standardowe (większe oscylacje generowanej siły wokół wartości średniej). Dla małej wartości R (0,4) i dużej częstotliwości falowania można zaobserwować największy wpływ kształtu i wymiarów na siłę ciągu oraz jej stabilność. Przy maksymalnej generowanej dla tego zakresu sile (1,684[N]) odchylenie standardowe jest niewielkie (0,018[N]). Płetwy bardzo długie lub bardzo krótkie powodują wzrost odchylenia standardowego. Przy częstotliwość f=1,4[hz] i R=0,6 charakter średniej siły ciągu w funkcji wymiarów płetwy ogonowej jest podobny. W tym przypadku płetwa o pośredniej długości (100[mm]) generuje maksymalną siłę 2,270[N] przy odchyleniu standardowym na poziomie 0,044[N]. W tym przypadku także płetwy bardzo długie lub bardzo krótkie powodują wzrost odchylenia standardowego. WNIOSKI Z przedstawionych wyników pomiarów można wywnioskować fakt, że wysokość płetwy ogonowej w mniejszym stopniu wpływa na wartość generowanej siły ciągu niż jej długość przy spokojnym ruchu ogona inaczej niż przy bardziej dynamicznym ruchu napędu pojazdu podwodnego gdzie płetwa o średniej długości ale dużej wysokości generuje największą siłę. Wzrost długości płetwy ogonowej powyżej 120[mm] nie przekłada się na wzrost siły ciągu co może być spowodowane jej dużą podatnością. Zasadniczo wpływ kształtu i wymiarów płetwy na średnią siłę ciągu uwidacznia się przy większych wartościach parametru R (0,6) oraz przy dużych częstotliwościach falowania (f=1,6[hz]). Dla płetw o średniej długości (od 100[mm] do 120[mm]) oscylacje siły ciągu są małe. Opisane badania utwierdzają autorów w przekonaniu, że prawidłowy dobór płetwy ogonowej biomimetycznego pojazdu podwodnego z napędem falowym typu BCF jest istotny z punktu widzenia generowanej siły ciągu a tym samym sprawności napędu falowego. Nie można jednak rozpatrywać parametrów konstrukcyjnych samej płetwy w oderwaniu od parametrów sterowania, gdyż pozostają one w ścisłej korelacji. Kolejne prace badawcze będą miały na celu zbadanie wpływu kształtu i wymiarów płetw bocznych CyberRyby oscylujących z różnymi wartościami amplitudy i częstotliwości na siłę ciągu tego typu pojazdu. Streszczenie W niniejszym artykule autorzy zaprezentowali niekonwencjonalną konstrukcję pojazdu podwodnego wykorzystującego tak zwany napęd falowy naśladujący kinematykę ryb z rodziny karpiowatych. Biomimetyczny system napędowy pojazdu stanowi mechaniczną reprezentację rybiego ogona i zbudowany jest w postaci trzysegmentowej sekcji ogonowej zakończonej elastyczną płetwą. Konstrukcja robota odwzorowuje karpia. Sekcja ogonowa wraz z systemem płetw bocznych i sztucznym pęcherzem pławnym umożliwia wierne naśladowanie ruchu ryby. W ramach rozwoju koncepcji biomimetycznego pojazdu podwodnego, prowadzone są intensywne badania mające na celu zwiększenie efektywności zaproponowanego systemu napędowego. W niniejszej pracy przedstawiono kolejny etap badań mający na celu wskazanie poprawnego kształtu i wielkości powierzchni płetwy ogonowej z punktu widzenia maksymalnej siły ciągu generowanej przez system napędowy pojazdu podwodnego z napędem falowym CyberRyba w wersji 5. W ramach badań dokonano pomiaru siły ciągu dla kilkunastu wariantów kształtu płetwy ogonowej wykonanej z elastycznego materiału dla uprzednio zdefiniowanych parametrów sterowania. Dokonano analizy i opracowania wyników pomiarów, przedstawiono wnioski oraz wyznaczono kierunki dalszych prac. 4117

7 How the shape of the caudal fin affects the thrust of underwater vehicle with undulating propulsion Abstract In this article the authors present an unconventional design of an underwater vehicle with the so-called undulating propulsion which mimics the kinematics of a carp fish. Biomimetic vehicle propulsion system is the mechanical representation of a fish-tail and it is built as a three-segment linkage with elastic fin attached to the end of the last segment. Undulating tail section with oscillating lateral fins and the artificial swim baldder allows the vehicle for accurate imitation of movement of a real fish. As part of the development of the concept of biomimetic underwater vehicle, an intense research aimed at increasing the effectiveness of the proposed drive system are being carried out. In this paper, authors describe the next stage of the research aimed to identify the correct shape and dimensions of the tail fin from the point of view of maximum thrust generated by the propulsion system of the underwater vehicle with undulating propulsion called CyberFish version 5. During the experiment the thrust for several variants of the shape of the flexible tail fin was measured with predefined vehicle s control parameters. The measurement results was then elaborated and analyzed. Finally the conclusions was drawn, and the directions for further work was set. BIBLIOGRAFIA 1. Karta katalogowa, E_AE_BA643.pdf, dostęp luty 2014, 2. Karta katalogowa, E_KMT_KAP-S.pdf, dostęp luty 2014, 3. Nguyen, Q. S., i inni, A Fish Robot Driven by Piezoceramic Actuators and a Miniaturized Power Supply, International Journal of Control, Automation, and Systems, 2009, s , 4. Malec M., Morawski M., Szymak P., Trzmiel A., Analysis of Parameters of Traveling Wave Impact on the Speed of Biomimetic Underwater Vehicle, Solid State Phenomena, vol.210 (2014), pp , 5. Malec M., Morawski M., Wpływ parametrów sterowania na siłę ciągu podwodnego robota mobilnego z napędem falowym dla różnych wariantów płetwy ogonowej, Elektronika, konstrukcje, technologie, zastosowania, nr 12/2013, s , 6. Tan X., i inni, An Autonomous Robotic Fish for mobile Sensing, Proceedings of the 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, 2006, Chiny, 7. Wang Z., Guanrong H., Jian L., Yangwei W., Kai X., A micro-robot fish with embedded SMA wire actuated flexible biomimetic fin, Sensors and Actuators A: Physical, 2008, s , 4118