Parametric roll oscillations of a hydrodynamic Chaplygin sleigh

要約

生体模倣水中ロボットは、前方に推進するために横方向の周期振動運動を使用します。これは、体尾鰭 (BCF) 推進として知られるほとんどの魚で見られます。
横方向の振動運動により、細長い体の魚のようなロボットは不安定に回転します。
人間が設計した水中ロボットの場合とは異なり、多くの種類の魚は、推進器の周期的な動きから生じる摂動に対してロール運動を安定させることができます。
まずロールの不安定性の原因を理解するために、この論文の目的は、自律的な魚のような水中遊泳者のロール角の安定性に影響を与えるパラメーターを分析することです。
流体と構造の相互作用の複雑なモデルを避け、代わりに、質量中心が地面の上にあるチャプリギンのそりに触発された非ホロノミック システムのロール運動を考慮します。
過去の研究では、魚のような周期的な遊泳者のダイナミクスがチャプリギンのそりのダイナミクスに似ていることが示されています。
チャプリギンのそりは、ヨー方向の周期的なトルクによって推進されます。
チャプリギンそりのロールダイナミクスは線形化され、減速された速度空間における平面流体力学チャプリギンそりの公称リミット サイクル ソリューションの周囲にあります。
ロールダイナミクスは、周期的なヨー運動がパラメトリック励起をもたらす不均一なマシュー方程式として記述されることが示されています。
私たちはそりの線形力学に対する追加質量効果を研究し、フロッケ理論を使用してパラメトリック励起によるロール安定性を調査します。
水泳モデルの速い動きは、ロールの不安定性と関連していることが多いことを示します。
したがって、この論文は、魚のようなロボットの動作の速度、効率、安定性の間のトレードオフを示す基本的なメカニズムに光を当てています。

要約(オリジナル)

Biomimetic underwater robots use lateral periodic oscillatory motion to propel forward, which is seen in most fishes known as body caudal fin (BCF) propulsion. The lateral oscillatory motion makes slender-bodied fish-like robots roll unstable. Unlike the case of human-engineered aquatic robots, many species of fish can stabilize their roll motion to perturbations arising from the periodic motions of propulsors. To first understand the origin of the roll instability, the objective of this paper is to analyze the parameters affecting the roll-angle stability of an autonomous fish-like underwater swimmer. Eschewing complex models of fluid-structure interaction, we instead consider the roll motion of a nonholonomic system inspired by the Chaplygin sleigh, whose center of mass is above the ground. In past work, the dynamics of a fish-like periodic swimmer have been shown to be similar to that of a Chaplygin sleigh. The Chaplygin sleigh is propelled by periodic torque in the yaw direction. The roll dynamics of the Chaplygin sleigh are linearized and around a nominal limit cycle solution of the planar hydrodynamic Chaplygin sleigh in the reduced velocity space. It is shown that the roll dynamics are then described as a nonhomogeneous Mathieu equation where the periodic yaw motion provides the parametric excitation. We study the added mass effects on the sleigh’s linear dynamics and use the Floquet theory to investigate the roll stability due to parametric excitation. We show that fast motions of the model for swimming are frequently associated with roll instability. The paper thus sheds light on the fundamental mechanics that present trade-offs between speed, efficiency, and stability of motion of fish-like robots.

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