仿鱼鳍推进水下机器人流体动力测试系统

以基于仿生柔性长鳍波动推进的水下机器人试验模型为背景,主要研究如何构建满足多种水下机器人试验模型在各种姿态下流体动力/力矩的静态与动态测量要求的测试系统.文章首先提出流体动力测试系统的功能需求与设计准则,并按照模块化设计思想设计其体系结构,重点研究了6分力测量原理、传感器阵列配置结构以及测试流程,最后对整个系统进行了误差源分析.论文研究的测试系统具有6分力测量、2自由度运动导向以及载体运动参数测量等功能,是支撑柔性长鳍波动推进水下机器人研究的重要试验平台.     

仿生长鳍波动推进系统研制的分析

综述了模仿鳐科和裸背鳗科鱼类的高机动性的波动运动方式设计仿生长鳍波动推进(long-fin undulating propulsion)系统的研究,包括长鳍波动推进系统的推进机理、长鳍波动运动的运动学和动力学研究,以及仿生长鳍波动推进实验系统的研制.在此基础上,指出了今后研究的重点--鳐科和裸背鳗科鱼类游动的运动学、动力学分析;长鳍波动推进系统的机构设计与控制方法;长鳍波动推进系统的协调控制与导航方法.     

浅析水空跨介质航行器仿生设计研究中的CAD技术应用

水空两栖跨介质无人航行器是近年来研究的热点,该航行器预期实现水下潜伏,跨水空介质状态转换和空中飞行这3种航行状态,存在着变密度、结构转换、动力转换等技术问题亟待解决.自然界中存在着可以自由穿梭于水空环境中的生物,将具有这种飞行本领的生物作为仿生对象,并进行系统研究,对突破跨介质无人航行器的关键技术研究有着重大意义.在介绍“鲣鸟”水空两栖跨介质无人航行器这一产品在工业设计流程中的仿生设计研究的基础上,对仿生设计的研究方法进行创新,阐述CAD技术在仿生设计中的应用方法及重要作用.     

波动鳍仿生机器鱼研究进展与分析

依靠鳍的波动实现推进的中央鳍/对鳍(Medianand/orPairedFin,MPF)模式鱼类在运动过程中身体可以不发生变形而获得推力,具有高效率,高稳定性和强机动的游动特点,对水下推进器的研发具有极大的参考价值,近年来在加强海洋资源开发力度和加快军事装备革新步伐的号召下,波动鳍仿生机器鱼受到越来越多科研人员的关注。首先对波动鳍游动鱼类进行简要介绍和分类,从机理研究和仿鱼样机两个方面对其进行综述,然后对相关的关键技术进行了分析和讨论。     

基于设计形态学的军事仿生机器人研究现状与进展

目的 对设计形态学在军事仿生机器人设计领域的研究现状进行梳理、归纳和分析,为设计服务于国防建设和军事装备提供思路和参考。方法 首先从设计形态学的内涵出发,结合仿生设计理论,详细解读设计形态学,如何能够通过融合多学科知识,来辅助新型军事仿生机器人研制;其次,根据军事仿生机器人作战域的不同,从陆地、水下和空中（间）军事仿生机器人3个方面展开,论述了国内外设计形态学助力军事仿生机器人发展的现状,归纳并阐述了不同类型军事仿生机器人设计的特点;最后,总结并分析了设计形态学在军事仿生机器人设计领域进行应用的发展趋势,对设计形态学助力军事装备的研究方法及研究重点进行了展望。结论 设计形态学是一种强调系统的理论体系,是融合仿生学方法的生物激励模式下的设计形态创新,能够有效地支持军事仿生机器人领域的融合创新。随着人工智能技术的不断发展,设计形态学在军事仿生机器人领域的应用将逐步向人机共融智能设计方向演化。     

动态仿生设计手法初探

确定动态仿生设计的概念和范畴,通过分析现有的动态仿生产品,归纳出动态仿生设计的三类主要手法,包括外形结构变化式手法、传神意象式手法和移植现代、后现代艺术手法,并总结出这些手法的特点和应用方式,以期为动态仿生设计的研究起到抛砖引玉的作用.     

源于海洋动物形体特征研究的仿生设计

通过对特殊而又具有代表性海洋动物形体特征的分析与研究,寻找海洋动物独具的美感因素与合理适应大自然的奥秘所在,并将这些自然界中的合理因素运用仿生设计学引入到日常的设计与生活中,从而形成一种产品仿生设计的系统观,从而为日常生活中的不舍理因素寻找一种新的解决方法.     

香水包装中的仿生设计

自然界的有机生命形态,有助于丰富造型设计的形式语言.仿生设计的应用,能够强化产品的动态美,突出产品的个性,增加人与产品之间的精神互动,使产品具有意象美和意蕴美.超现实主义艺术大师达利的香水作品表明仿生设计赋予了产品以生命的张力,并提升了香水包装的魅力.     

水下蛇形机器人的滑翔运动性能研究

结合水下滑翔机在海洋中的较强续航能力,以及蛇形机器人在水中的良好机动性能,研制了一种具有两者特性的新型水下滑翔蛇形机器人,它具有水下滑翔机续航时间长、航行距离远,以及水下蛇形机器人机动性强、运动灵活的运动特性。对该水下滑翔蛇形机器人的滑翔运动性能进行了试验研究。首先对水下滑翔蛇形机器人的运动原理及关节结构进行了设计分析,其次对机器人的硬件及控制系统进行了结构分析,而且根据动量定理和动量矩定理,对机器人的滑翔运动方程进行了推导,并化简到垂直平面。最后对平衡状态进行了仿真分析,对机器人的运动能力进行了试验验证。试验结果验证了水下滑翔蛇形机器人机构的有效性。     

鳍条运动模式对仿生波动鳍推进力影响的研究

仿生波动鳍的鳍条运动模式分为等幅和变幅两种类型,通过实验发现这2种鳍条运动模式下所产生的游动性能存在着较大的差异.为了揭示这种差异存在的内在缘由,建立基于鳍条这2种运动模式的仿生波动鳍运动学方程.利用计算流体动力学原理,比较不同运动学参数下2种运动模式鳍面压力分布情况,分别给出2种模式下波动鳍产生的无量纲阻力系数随时间的变化情况以及无量纲阻力系数时间平均值随频率、摆幅和波长的变化规律,给出鱼鳍模型中部沿鳍条方向切面的速度场和压力场.结果表明:2种模式下产生的推进力均随频率、摆幅和波长的增大而增加,但等幅摆动产生的推进力始终小于变幅摆动;2种模式下模型中部切面的速度场和压力场存在明显的差异,而尾迹二维涡量场结构和分布形态十分相似,说明影响2种模式游动效果的主要原因之一来自于沿鳍条方向的差异.结论进一步阐述了依赖鱼鳍波动推进的水生生物体高效游动的本质,也为研制高性能的仿鱼鳍波动推进装置提供了参考.     

基于滤食特征的水面垃圾清理装备的仿生设计与评估

目的 探索海洋水面垃圾清理装备的仿生设计过程和模态分析的有效性。方法 前期采用自上而下的仿生学设计方法,分别模仿河蚌和火烈鸟的独特滤食结构,得出两种水面垃圾清理装备的仿生设计方案,并介绍了基本的设计流程;后期运用有限元方法对两种成果分别进行模态分析。结果 河蚌方案模型的一阶固有频率均低于30 Hz,满足设计要求;火烈鸟方案模型需改进后进行再次评价。结论 仿生设计方法可以为水面垃圾清理装备的设计过程提供参考。此外,采用有限元方法对产品外形、结构进行模态分析,具备有效性。整个设计与评估闭环过程,可以较好地指导仿生创新设计,实现产品的多样化创新。     

回转形AUV水下通用对接装置的设计与实现

自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV),尤其是回转形AUV,是海底探测、海洋地貌观察和军事海洋学研究的重要工具,但其续航能力一直是限制其完成远距离和长时间工作的关键问题。目前已研制出的水下对接装置只能与特定尺寸的水下机器人完成对接,通用性较差。为了解决不同尺寸回转形AUV的能源补充及数据上传下载的问题,介绍了目前存在的水下对接形式,并在此基础上设计了一款通用性水下对接装置。该装置采用水下灯光导引方式对AUV进行导引定位,当AUV进入对接装置后通过导流罩对AUV进行导向,最终采用丝杠滑台装置夹持固定AUV。该装置可以为不同尺寸的回转形AUV补充能源并提供数据上传下载服务,提高了AUV的续航力、数据收集能力,扩大了巡航范围。最后在水池中对该水下对接装置的灯光引导、夹持装置进行了测试,验证了该水下对接装置整体的可靠性及可行性。结果表明该装置结构简单,通用性较强,稳定可靠,对水下对接装置的总体设计具有一定的借鉴和指导意义。     

一种声速-位置联合估计的水声导航定位方法

长基线水声导航定位方法利用各信标到水下航行器的信号传播时间和等效声速来估计水下航行器的位置,但各信标到水下航行器的等效声速估计存在误差,导致定位误差较大,且随着导航距离的增加,定位误差呈增长趋势。针对这一问题,提出了一种基于粒子滤波的水声导航定位方法,将等效声速和水下航行器的位置作为估计状态参量,通过测量信标信号到水下航行器的传播时间,建立粒子滤波模型对其位置进行估计,准确地估计并跟踪等效声速变化,从而提高定位精度,减小估计误差。仿真结果表明,在水下航行器初始位置未知的情况下,与常规方法相比,文中所提方法的定位精度提高了4倍左右。     

射流速度对气幕发射方式下航行体运动过程的影响研究

气幕发射方式是一种新型的航行体水下垂直发射方式。采用数值模拟的方法,研究了不同射流速度情况下航行体水下垂直发射过程中气幕形态、航行体表面压力及阻力特性等的变化规律,得到了在出筒过程中,不同气体射流速度情况下,航行体均可顺利通过气幕的最小半径处,气体射流马赫数越大,航行体总阻力系数越大;在出水过程中,航行体总阻力系数单调降低,与气体射流马赫数无关等结论。     

AUV水下对接系统设计与接驳控制方案研究

为了实现自主水下机器人（autonomous underwater vehicle,AUV）稳定、准确、高效地完成水下对接,提出一种导向罩开合式水下对接装置。针对该装置对接结构的特征所决定的AUV入坞运动的控制要求,考虑到在入坞阶段前向运动起主导作用,分别建立了在静对接、悬浮对接和拖曳动对接三种应用场景下AUV对接系统的动力学仿真模型,重点分析了AUV对接系统在对接时受到的水动力和碰撞力。基于ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical system,机械系统动力学自动分析）和控制仿真软件MATLAB/Simulink联合搭建的水下对接仿真系统,进行在不同接驳控制方案下静对接、悬浮对接和拖曳动对接效果的仿真分析与对比。分析结果表明：在位置-速度闭环控制下,对接能耗、碰撞次数和最大碰撞力均为最小,对接耗时比传统的位置闭环控制减少约50%;在拖曳动对接场景下,在位置-速度闭环控制下对接系统实现了良好的变速跟踪,有利于AUV快速对接。该AUV水下对接系统适用于不同的对接场景,方便无人艇搭载并对AUV进行布放与回收,有利于革新海洋无人系统跨域协同作业模式。     

尾鳍的形状与运动参数对推进速度的影响

从推进速度的角度出发,实验研究了尾鳍摆动式水下推进器尾鳍的形状参数与运动参数对推进速度的影响,给出了实验结果,对尾鳍摆动式水下推进器的设计具有重要的意义。     

基于WOSS的NS-Miracle水声信道模拟方法扩展

将世界海洋仿真系统（World Ocean Simulation System,WOSS）与声射线模型Bellhop结合并引入海洋噪声经验公式对NS-Miracle仿真系统的水声传输信道模拟方法进行扩展。为了验证扩展后的仿真系统,实验采用了基于水声信道特征经验模型、Bellhop射线模型及WOSS结合Bellhop射线模型的3种仿真方法对5个节点集中式拓扑结构的水下传感器网络进行了计算机仿真。结果表明,在相同的网络环境中,利用Bellhop信道仿真模型的两组实验的平均吞吐量、平均延时非常接近,而利用经验信道模型的第一组仿真得到的平均吞吐量和延时与后两组数据的差别稍大,三者的平均误包率非常接近。同时实验仿真了3个不同海域相同结构水下传感器网络的运行情况,分析引入WOSS后对仿真结果的影响。结果显示：在不同海域引入WOSS的系统仿真结果比未引入WOSS的系统仿真结果更具有实时动态性,扩展后的NS2/NS-Miracle仿真系统能够更准确地模拟实际水声网络的相关特性。另外,实验还利用扩展后的系统对ALOHA-CS、CSMA/CA和DACAP三种MAC协议进行了仿真和分析,结果显示,CSMA/CA协议相较于其他两种协议更适合集中式结构的水下传感器网络。     

基于认知耦合的加湿器设计

目的 把认知耦合理论引入产品形态设计中,得出符合认知耦合理论的设计方案.方法 首先通过语义差分法获得产品目标感知意象,依据意象词汇寻找仿生对象,能够同时实现形态耦合和语义耦合;其次通过拓扑结构的方法对生物原型进行特征层次分析,筛选最强特征,通过拓扑权值和拓扑相似度得出最佳仿生形态,最后运用模糊综合评价法评定耦合度,确定设计方案.结果 仿生鹦鹉鱼形态,分析特征拓扑图与结构特征,通过模糊综合评价法确定加湿器设计方案,实现了造型认知耦合与语义认知耦合.结论 将认知耦合理论与仿生设计结合作为此次设计理论总结的设计方法运用到产品设计中,可以满足产品造型需要,也可以满足加湿器的语义需求,这是一种新的设计思路,具有研究意义.