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第42 卷 第 12 期

2020 年 12 月

舰 船 科 学 技 术

SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY

Vol. 42, No. 12

Dec. , 2020

高机动水下仿生航行器研究现状

喻俊志

1,2

，杜 晟

2

，吴正兴

2

(1. 北京大学工学院，北京 100871；2. 中国科学院自动化研究所 复杂系统管理与

控制国家重点实验室，北京 100190)

摘 要:

水下仿生航行器因其低能耗、高机动性、低噪声、隐蔽性强和对周围环境友好等特点，现已成为仿

生领域热点研究之一。本文以水生生物的2种推进力产生方式为分类标准，对高机动水下仿生航行器的发展情况进

行概述。从已有相关研究中遴选了12种机动性能表现较突出的仿生水下航行器平台，分别介绍其结构、外形以及

实现方式。通过对比分析可以得知，推进方式和结构设计等直接影响游速、转向机动性以及俯仰机动性的表现，在

实际应用中需针对性地进行选择。

关键词：水下仿生航行器；高机动性；推进方式

中图分类号：

TJ 630

文献标识码：

A

文章编号：

1672 – 7649(2020)12 – 0008 – 05 doi：10.3404/.1672 – 7649.2020.12.002

Research status of highly maneuverable bionic underwater vehicles

YU Jun-zhi

1,2

, DU Sheng

2

, WU Zheng-xing

2

(1. College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China; 2. State Key Laboratory of Management and

Control for Complex Systems, Institute of Automation, CAS, Beijing 100190, China)

Abstract: Underwater bionic vehicle has become a hot topic in the field of bionics, due to its low energy consumption,

high mobility, low noise, good stealthiness, as well as low disturbance to the surroundings. This paper surveys the research

progress of highly maneuverable bionic underwater vehicles according to the classification standard of two propulsion modes

of aquatic organisms. Twelve kinds of representative bionic underwater vehicle platforms with prominent maneuverability

are selected from the existing researches, and their structures, shapes, and implementation methods are introduced respect-

ively. Through the comparative analysis, it is found that the propulsion mode and structure design directly affect the perform-

ance of moving speed, steering maneuverability, and pitching maneuverability, which requires a customized selection in real-

world applications.

Key words: bionic underwater vehicle；high maneuverability；propulsion mode

0 引　言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，

AUV）是海洋科技中的重要组成部分，在军事、民事

上均有广泛应用。传统AUV采用螺旋桨进行推进，具

有安装方便、控制简单，易于更换维护等优点。但其

效率低、噪声大、转向机动性差以及易出故障等实际

问题也不容忽视。与此同时，水下生物经过数亿年的

演化，进化出各种适应于水中运动的能力。通过模仿

自然界水下生物的推进机理，能有效提高水下航行器

的效率和机动性，以及减少噪声和对海洋生物造成伤

害等问题。

最常见的水下生物是鱼类，人类已知的约有2万

余种。鱼类和鲸豚类具有流线型外形，且体表能分泌

粘液，能极大降低水中阻力；强有力的肌肉带给鱼类

瞬间启动、爆发式加速和快速转向的能力，而鱼鳔和

鳍面的巧妙配合，能让鱼类实现大角度的俯仰运动以

及悬停。此外，乌贼、章鱼以及扇贝等其他水生生物

利用射流实现推进和转向，在自身加速前进的同时可

阻碍捕食者。这些特性给水下航行器的改进和研发提

供了新的研究方向和思路。

收稿日期: 2020 – 08 – 31

作者简介: 喻俊志(1975 − )，男，博士，教授，研究方向为水下仿生机器人与智能控制。

第 42 卷

喻俊志，等：高机动水下仿生航行器研究现状

· 9 ·

1 水下仿生航行器的分类

从推进力的来源来分

[1 – 2]

，可以将水下仿生航行器

分成两大类：一类仿照章鱼和扇贝等利用向后方喷出

液体进行推进；一类模仿鱼类和鲸豚类，利用身体和

鳍面运动时产生的涡流进行推进。其中鱼类按其推进

主动力的来源可分为奇鳍/对鳍（Medial and Paired

Fin，MPF）模式和身体/尾鳍（Body and Caudal Fin，

BCF）模式。其中，鲸豚类的游动方式也归属于BCF

模式。而进一步细分，BCF模式因其身体段参与生成

体结构实现，每次推进的间隔时间较长。而对机械仿

生来说，喷射式的推进可采用简单机构实现。Wang

等

[5]

设计了一种利用射流进行推进的仿生扇贝，如图1

所示。模仿扇贝的帘状肌肉，设计了可被动弯曲的人

工帘状肌肉，以起到单向阀的作用。仿生扇贝的外壳

张开时，水流入贝壳内部；外壳闭拢时，人工帘状肌

肉保证水流从后方小孔射出，推动仿生扇贝前进。

推进力的比例，又可分为鳗鲡式（Anguilliform）、亚

鲹科模式（Subcarangiform）、鲹科模式（Carangiform）

和鲔行模式（Thunniform）4种。需要注意的是，这里

的分类只针对于鱼类的游动模式，而非鱼类本身。同

类鱼可能既能利用BCF模式实现高速推进，又能利用

MPF模式实现机动转向和保持稳定。

乌贼、水母等动物可利用身体的特殊构造，储存

水然后向后喷出，获得前进动力；扇贝通过拍动甲

壳，可使水流从前方流入，后方小孔喷出，获得动

力。对于生物体而言，每次运动后都需要一定时间进

行恢复，运动效率不高。相比较而言，鱼类利用身体

变形时产生的涡流进行推进，其运动效率较高，有效

功率可达95%以上。以蝠鲼为代表的MPF模式，其运

动平稳，转向灵活；而以金枪鱼为代表的BCF模式，

兼具了爆发性加速和长时间远距离巡游的优点

[3 – 4]

。

2 高机动水下仿生航行器平台介绍

用飞机机动性类似的概念可以定义水下仿生航行

器的机动性，即水下仿生航行器的加速性能、转向速

度以及上浮下潜的速度。考虑到水下航行器在水中运

动时所受阻力要远大于空气阻力，阻力大小与水中运

动的速度平方成反比关系，因此在一定程度上水下航

行器所能达到的最大速度也可替代加速度，作为机动

性的考察指标。此外，对于水下仿生航行器而言，其

最大优势在于转向灵活，亦即转向半径较小。而从实

际角度出发，转向速度较快的航行器通常转向半径较

小。因此在衡量水下航行器的机动性时，转向半径也

可作为一个评价指标。

因水下仿生航行器的大小尺寸不一，采用绝对值

进行评估有失偏颇。通常的做法是以体长/秒（Body

length/second，BL/s）作为速度的衡量单位，而转向半

径以单位体长作为衡量单位。下面以速度、转向半径

和转向速度等指标为主线，介绍近些年来具有较高机

动性的水下仿生航行器平台。

2.1 喷射式水下仿生航行器

对生物体而言，喷射式的推进往往需要特殊的身

图 1 仿生扇贝结构图

Fig. 1 Structure of the scallop robot

仿生扇贝外壳的开闭由电机带动旋转臂实现。外

壳由弹簧连接，当旋转臂垂直于中心面时，外壳张

开；而旋转臂平行于中心面时，外壳在弹簧作用下闭

合。电机转动一圈外壳开闭2次。通过调整开合频

率、幅度以及不同尺寸的外壳和射流孔等关键因素，

仿生扇贝可实现原地转向，翻滚等动作。最终通过优

化参数组合，仿生扇贝的半径约为0.15 m，最高平均

速度为3.4 BL/s，最大瞬时速度为4.65 BL/s。

Wang等

[6]

设计了一种利用记忆合金（Shape

Memory Alloy，SMA）驱动的仿乌贼水下航行器，可

通过鳍面波动和喷嘴向后喷水的方式进行前进，结构

如图2所示。利用射流推进的最大瞬间速度为0.6 m，

但难以实现连续推进。

图 2 仿生乌贼结构图

Fig. 2 Structure of the cuttlefish robot

Liao等

[7]

设计了一种双尾鳍的机器鱼，如图3所

示。通过改变2个尾鳍之间的距离，可使得尾鳍摆动

产生的涡流之间相互影响，将其转变成射流，以此来

推进机器鱼。当2个尾鳍反向摆动时，可有效减少鱼

体的晃动，降低前进阻力。报道的最高游速为0.35 m/s

（折合

2.5 BL/s）。

· 10 ·

舰 船 科 学 技 术

第 42 卷

图 3 双尾鳍机器鱼

Fig. 3 Schematic of the dual caudal-fin robotic fish

2.2 摆动式/波动式水下仿生航行器

仿效鱼类和鲸豚类推进方式设计的水下仿生航行

器较多，其研究方向和设计理念不尽相同。部分平台

是为研究鱼类游动机理而设计，如MIT的Robotuna，

主要目的是研究尾鳍摆动时流场的变化情况

[8]

，采用

鱼体固定在支架上的方式进行研究。部分平台是为研

究新的传感器而设计，如Zheng等设计的仿箱鲀鱼系

统

[9]

，主要侧重于侧线的应用。本文列举部分具有较

高机动性能的代表性水下仿生航行器平台。

2.2.1 MPF模式推进平台

Chew等

[10]

以蝠鲼为原型，设计制造了一种仿生蝠

鲼（见图4），体长0.28 m，实现了0.45 m/s（折合

1.783 BL/s

）的最大瞬时直游速度。

图 4 仿生蝠鲼原型样机

Fig. 4 Photographs of robot manta ray prototype

如图5所示，Gao等

[11]

设计的蝠鲼体长0.5 m，翼

展0.6 m，重量约为3.4 kg。胸鳍设计为一个自由度，

由17 W的直流电机驱动，实现了0.7 m/s（折合1.4 BL/s）

图 5 仿生蝠鲼原型样机

Fig. 5 Prototype of robotic manta ray

的最大直游速度。

2.2.2 BCF模式推进平台

从20世纪90年代开始研制水下仿生航行器样机

以来，BCF模式推进就受到广泛关注。BCF模式推进

的特点在于结构相对简单，容易实现，且通过设计其

机械结构，能实现远超其他推进模式的性能指标。其

动力来源也十分广泛，可采用气动、液压、人工肌肉

等方式进行驱动。然而就目前研究成果而言，以电机

作为动力来源仍是首选。

1）鳗鲡式推进

Stefanini等

[12]

以七鳃鳗为原型，开发了一种长0.99 m，

具有21 kn的仿生鳗鱼，以一种仿肌肉的电磁驱动来改

变关节角，如图6所示。通过中枢模式发生器（Cent-

ral Pattern Generator Networks，CPGs）对关节角进行控

制，最终实现了0.7 BL/s的最高游速。而得益于多节

结构的设计，仿生鳗鱼的转向半径最小可至0.075 m

（折合

0.076 BL）。

图 6 LAMPETRA机器鱼示意图

Fig. 6 Schematic of LAMPETRA robot

2）亚鲹科式推进

Zhong等

[13]

构造了一种线牵驱动的机器鱼（见图7）。

其后半部分身体由多个转动关节连接，且具有一定柔

性和弹性，当内置于头部壳体的舵机带动穿过各身体

段的钢丝绳运动时，其尾部也随之摆动。通过舵机旋

转的角度和频率可控制机器鱼的游动姿态。机器鱼总

体尺寸为0.31 m×0.16 m×0.075 m，重0.5 kg，最终实现

了0.665 m/s（折合2.15 BL/s）的最大直游速度和

63°/s的转向速度。

第 42 卷

喻俊志，等：高机动水下仿生航行器研究现状

转向半径均在0.3 BL之内。

4）鲔行式推进

· 11 ·

Zhu等

[16]

以黄鳍金枪鱼为原型，设计了一种单电

机驱动的仿生机器鱼Tunabot，如图10所示。Tun-

abot的尺寸为0.255

3 m×0.049

2 m×0.067

8 m，重0.306 kg。

实验结果表明，在电机转速达到最高值15 Hz时，Tun-

abot可在超过1.1 m/s（折合4.0 BL/s）的来流中保持位

图 7 线牵驱动机器鱼示意图

Fig. 7 Schematic of wire-driven robotic fish

3）鲹科式推进

Clapham和Hu通过巧妙设计iSplash-II的结构

[14]

，

实现了鲹科式推进直游速度方面的突破。如图8所

示，iSplash-II共有4个关节，前3个关节的关节角度

由电机所决定，第4个关节为被动关节。总体尺寸为

0.32 m×0.048 m×0.112 m，总重0.835 kg。通过一个峰值

功率为120 W的电机以20 Hz驱动尾鳍，最终实现了

3.7 m/s（折合11.6 BL/s）的直游速度。然而由于结构

设计的限制，

iSplash-II并不能实现转向。

图 8 iSplash-II示意图

Fig. 8 Schematic of iSplash-II

Su等

[15]

为了测试提出的动态轨迹法控制下的C形

转向所使用的2种四关节机器鱼，如图9所示。大型

机器鱼的尺寸为0.586 m×0.08 m×0.15 m，重3.24 kg，

而小型机器鱼的尺寸为0.495 m×0.05 m×0.08 m，重1.29 kg。

实验结果表明，大型机器鱼的峰值转向速度为200°/s，

平均最大转向速度为128°/s。小型机器鱼的峰值转向

速度为670°/s，平均转向速度为213°/s。2种机器鱼的

图 9 用于C形转向的2种四关节机器鱼

Fig. 9 Two four-joint robotic prototypes

applied to C-start experiments

置不变。由于Tunabot的体型限制，其仅具有直游能

力，而不能实现主动转向和俯仰运动。

图 10 Tunabot示意图

Fig. 10 Schematic of Tunabot

Du等

[17 – 18]

为解决水下仿生平台的直游速度和转向

性能之间存在矛盾的问题，提出一种新型的两关节驱

动方法并应用于仿生金枪鱼之上。实验结果表明，设

计的结构能使速度和转向性能达到一个较好的平衡

点。如图11所示，仿生金枪鱼平台的尺寸为0.46 m×

0.1 m×0.13 m，重1.8 kg，最大瞬时速度为0.76 m/s（折

合

1.65 BL/s），最小转向半径为0.35 BL。

图 11 仿生金枪鱼示意图

Fig. 11 Schematic of Tuna-like robot

Yu等

[19]

设计了一种高机动型的海豚用于重复跃水

的运动控制研究，如图12所示。跃水海豚的尺寸为

0.72 m×0.12 m×0.13 m，重4.7 kg，最高平均速度为

1.93±0.05 m/s（折合2.68±0.06 BL/s），最大瞬时速度

为2.11 m/s（折合2.93 BL/s）。

3 分析与讨论

如表1所示，通过上述研究成果的对比可以看

出，BCF模式推进的水下仿生航行器通过优化设计其

机械结构和控制算法，可实现远超其他平台的性能指

标。如Su等

[15]

设计的四关节机器鱼，能实现670°/s的

转向速度，虽然较之生物界中射水鱼的峰值转向速度

高达4

500°/s相差甚远

[20]

，但此项记录在水下航行器的

· 12 ·

舰 船 科 学 技 术

第 42 卷

图 12 跃水海豚

Fig. 12 Leaping robotic fish

表 1 不同推进方式平台性能特点对比

Tab. 1 Comparison of typical parameters of caudal

fin-like propulsion AUV

典型推进

方式

优势不足

仿生扇贝可实现一个较高的相俯仰能力有所缺失，在野外

喷射式推进对速度，同时可在原地进行转环境中可能会吸进杂物导致

向运动出水口阻塞从而搁浅

具有良好的俯仰机动性和转向

MPF推进

机动性，容易配合重心调节机

构切换成滑翔模式，实现超远

前进速度缓慢

距离的续航作业

平台结构造型和驱动力来源多

BCF推进

样化，可针对性进行改进，使

速度和转向能力之间存在矛

得在某一性能指标上达到最优

盾，难以兼得

相关研究中尚属首次。如最快的iSplash-II最快游速可

达3.7 m/s（折合11.6 BL/s），甚至超过了一般鱼类爆

发时（约10 BL/s）的速度

[14]

。但BCF模式最大问题在

于速度和转向能力难以兼得

[18]

。一般而言，单电机驱

动的航行器往往能在速度方面有较好的表现，而在转

向性能方面有所不足；而多电机驱动的航行器往往在

转向性能方面比较突出，对应的则是速度方面表现较弱。

相对于BCF模式，采用喷射模式的仿扇贝型航行

器能同时在速度和转向性能上均有较佳的表现。然而

仿扇贝型航行器也存在一些问题，例如难以实现俯仰

运动，且在野外环境中可能会吸进杂物导致出水口阻

塞从而搁浅等。

MPF推进模式一般具有较强的俯仰能力和转向能

力，且直游运动稳定性较好，适于搭载载荷或作业工

具以完成水下作业。此外，MPF推进模式还可跟重心

调整的机构配合，切换成滑翔模式，以实现超长距离

的运动。

4 结　语

本文以水生生物的推进模式为主线，对水下仿生

航行器的研究成果进行分类汇总。以高机动的性能指

标为标准，筛选出各个推进模式中具有代表性的水下

仿生航行器平台。通过对比分析可以得知，各种推进

方式均有其各自的优缺点，在实际应用中要注意因地

制宜、按需搭配。

在军事领域，可考虑用MPF模式设计海上瞭望平

台，一方面可通过切换成滑翔模式进行超长距离的布

防，另一方面也可在必要时候利用MPF模式突出的俯

仰运动能力潜入水底，以避开可能受到的打击。而

BCF模式提供了多样化进攻和侦察的手段。如可设计

仿蛇型水下航行器，通过狭窄区域以实现秘密探查，

或搭载自爆系统实现定点爆破；可设计以假乱真的航

行器混入鱼群中进行实地侦察；BCF推进的快速型水

下航行器的研究成果，更可直接移植于鱼雷之上，用

于提高鱼雷的速度，实现精准打击。而喷射模式可作

为辅助动力系统，一方面可用于自身的突然提速，以

便甩开敌方；另一方面可通过射流干扰敌方队形，在

关键时刻起到出其不意的效果。

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[下转第100页]

· 100 ·

舰 船 科 学 技 术

第 42 卷

场法增加虚拟力还可以很快的拓展到无人潜航器的编

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法巧妙利用虚拟力的理念，在避障控制、航向保持控

制、航线跟踪控制等全部建立虚拟力场，通过多种力

场的综合作用生成单一合力场指引尾舵操纵。同时本

文还利用“海翔-H”水下无人潜航器进行实际水域的

航线跟踪、单障碍避障、双障碍避障、多障碍连续避

障测试。结果表明，混合势场法能够很好的兼顾潜航

器实际作业时的航向保持、航线跟踪、避障等工况，

具备良好的鲁棒性。另外，通过本文建立起的统一势

[上接第12页]

[

7

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