微型扑翼飞行器驱动系统工程设计方法

以微型扑翼飞行器研制为背景,从系统的角度提出了一种仿生扑翼驱动系统的工程设计方法。根据仿生尺度率原理,对微型扑翼飞行器的总体参数进行了初步设计,提出了驱动系统的设计目标。进行了扑动翼风洞实验,以实际能达到的飞行状态为标准对实验数据进行分析处理,获得了扑动参数的可行范围和功耗需求。对微型无刷电机进行了工作特性测试,得到了电机转速、转矩、输出功率、效率等的拟合关系。综合考虑扑动参数可行范围、功耗需求和电机特性等多个因素,对驱动系统的减速比分配、减速器优化和四连杆扑动机构计算等方面进行了设计,得到了具有良好系统匹配性能的微型扑翼驱动系统,并通过样机研制和飞行实验证明了设计方法的有效性与可行性。所得研究结论对微型扑翼飞行器的工程设计和研制有一定指导意义。     

水下非对称扑翼运动的流体动力分析与机构设计

水下非对称扑翼运动不仅能够产生前向推力,同时使垂直于航行速度方向的平均升力不为零,基于这个原理可以更好地实现水下航行器的推进和操纵。利用计算流体力学方法对典型非对称扑翼运动算例进行了数值仿真计算,分析了非对称扑翼运动规律与流体动力之间关系。基于完全解耦的2自由度并联机构,对扑翼驱动机构进行了设计,并对非对称扑翼运动进行了运动学仿真。该机构不仅具有刚度好、运动精度高和系统惯性小的优点,而且其解耦特性使机构分析和控制系统开发的难度降低,同时更容易实现复杂的扑翼运动规律。     

基于太阳能水下机器人的优化设计

基于太阳能水下机器人的设计要求,对水平翼的外形进行优化设计.水平翼既要求能可靠搭载太阳能电池板,又具有较小的航行阻力,且能在载体使用浮力驱动实现载体的滑翔运动时为载体提供足够的升力.水平翼外形优化设计主要包括:翼平面几何形状设计、翼剖面设计和翼布局设计,利用CFX软件对各种设计方案进行分析进而得出最终优化方案.     

一种仿海龟扑翼推进机构设计

基于仿生学原理,分析海龟扑翼运动规律及扑翼推进机理,设计一种新型仿海龟扑翼运动规律的推进机构.该推进机构以凸轮机构和曲柄滑块机构为基础,具体设计了推进机构的几何参数,使推进机构能够逼近海龟扑翼的运动轨迹.以铰链机构为扑翼翻转的驱动机构,建立了该翻转机构的数学模型及优化设计模型,对该铰链翻转机构进行优化设计,逼近海龟扑翼在不同位置处的翻转角度.设计结果表明,该推进机构能模仿海龟扑翼的运动形式,在水下机器人领域具有广阔的应用前景.     

基于平行四连杆的水下牵引机下限位随动机构设计与仿真分析

波浪滑翔器是一种新型水面无人观测平台,通过水下牵引机中水翼被动摆动获取波浪能来产生前向推力。通过分析常规波浪滑翔器水下牵引机的脐带缆倾斜角造成的波浪能损失现象,设计了一种水翼摆动下限可以随脐带缆倾斜角的变化而改变的水翼摆动机构——下限位随动机构。首先,通过计算流体力学软件Fluent仿真分析了下限位随动机构对于水翼摆动角度的调节能力;其次,通过在常规水下牵引机内部加装一套平行四边形传动机构,设计了下限位随动机构原理样机,并通过搭建大型波浪模拟测试平台进行水池试验,验证了下限位随动机构原理样机的推进性能。研究表明,所提新型水翼摆动机构可以很好地提升水下牵引机的推进性能。     

行为建模技术在扑翼机构优化设计中的应用

在阐述当前扑翼机构设计的基础上,对行为建模技术原理及流程和步骤进行了阐述,对扑翼机构的总体结构进行了设计,并确定了扑翼机构的详细尺寸。利用Pro/ENGINEER软件建立了扑翼机构的三维模型,并对其进行了仿真分析。将Pro/ENGINEER的行为建模功能利用到扑翼机构优化设计中,对扑翼机构进行了优化,达到了设定的目标要求,取得了满意的效果。     

水下液压同步控制系统研究

结合某型UUV水下液压同步控制系统研制,分析了水下液压系统在设计上的特殊要求及解决措施,分析了同步马达同步控制误差的产生原因以及如何在设计、安装及调试过程中消除或减小同步误差。介绍了闭式水下液压系统的注油及排气方法;对同步控制系统进行了均载及偏载同步测试,分析了偏载、温度及油液黏度对同步精度的影响。     

基于LabVIEW的微扑翼机实验台测控系统设计

为解决微扑翼机进行气动力实验测试的问题,提出了一种基于LABVIEW的微扑翼机实验台测控系统,通过合理的硬件和软件设计,可同时实现扑翼样机的气动特性测试和扑翼流场的观测。该试验台测控系统主要包括气动力测试装置、三维粒子图像测速装置(3D-PIV)和微扑翼样机,通过实验可以获得扑翼样机在扑翼过程中的气动力数据、翅翼扭转角度、扑翼频率、扑翼流场的涡量云图、流线图。实验数据可反映出样机的气动性能,有助于进行具有良好飞行特性的扑翼样机的设计和研究。     

仿鸟扑翼飞行机器人执行机构优化设计的研究

仿鸟扑翼飞行机器人结构多样,应用广泛。主要对仿鸟扑翼飞行机器人的扑翼飞行原理和执行机构进行了分析研究。在此基础上建立了以齿轮连杆机构作为执行机构的仿鸟扑翼飞行机器人的数学模型和三维模型,并采用黄金分割法结合MATLAB软件对执行机构进行了数值模拟和优化设计,得到了在最小传动角最大的情况下,满足扑翼飞行的最佳四杆机构。此外,研究过程中所建立的三维模型利用ADAMS软件进行了运动仿真模拟,得出分析结果与模型相符合,满足设计要求。所做的工作为仿鸟扑翼飞行机器人的理论研究和实际模型的建立提供了可靠的参照和引导。     

扑翼型机器鱼的建模及实现

把昆虫和鸟类的翼在空中张合和鱼的胸鳍在水中摆动进行类比,结合水下扑翼型推进鱼的原型,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料加入扑翼飞行器实现机器鱼的水下复合推进.设计利用曲柄摇杆机构实现扑翼运动,使用弹簧作为连接胸鳍与舵机的力传输元件,有效降低能量损耗;在尾部的沉浮舵通过拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉.实验证明,这种机器鱼实现了预期的扑翼形式.     

油浸式变压器内部巡检式 UUV 设计与运动性能分析

基于电力系统泛在物联网的发展要求,针对大型油浸式电力变压器传统检测手段的缺点,将水下航行器技术应用于变压器箱体内部检测工作,设计了一款油浸式变压器内部巡检式水下航行器,进行了总体、动力系统和布局与机构设计;进行了运动性能分析仿真;并研制了原理样机,通过水池试验,分析验证了水下航行器的运动性能满足需求。     

基于模型预测控制的UUV路径跟踪控制研究

水下无人航行器(UUV)的路径跟踪控制是实现UUV多种军、民用途的重要技术基础。针对UUV路径跟踪控制中的欠驱动、非完整约束、模型的非线性,基于非线性连续模型预测控制算法设计了UUV垂直面路径跟踪控制器。建立了垂直面运动模型并基于状态空间模型给出了垂直面预测模型,通过给定性能指标,运用泰勒级数展开与李导数求解出了连续时间状态下的最优控制律,实现了欠驱动UUV路径跟踪控制。通过仿真实验,验证了垂直面路径跟踪控制器设计的有效性。     

水压人工肌肉驱动喷水矢量推进系统设计与试验

传统喷水矢量推进系统的驱动器存在密封困难、易腐蚀、使用寿命短、结构复杂等问题。为了解决这些问题,开发了水压人工肌肉驱动的喷水矢量推进系统。基于水压人工肌肉调节关节转角的驱动方式,对二自由度喷水矢量推进系统进行设计,并建立水压人工肌肉工作压力与喷嘴偏转角度的对应关系,先后进行了喷嘴矢量调节试验和水下自航试验。喷嘴矢量调节试验结果显示,当人工肌肉压差分别为0.310,0.614,0.898,1.158,1.386,1.584 MPa时,喷嘴实际偏转角度为13.56°,21.66°,33.24°,44.21°,52.80°,56.88°,试验结果与理论计算结果平均偏差为10.8%。水下自航试验表明,水压人工肌肉作为驱动器不仅能够满足喷嘴偏角矢量调节的要求,同时能够实现喷水矢量推进机器人的矢量运动,为研发能耗低、结构紧密的水下智能装备提供了新的思路。     

基于鱼类体线感知机理的水下机器人水流场识别研究

无人水下航行器(Unmanned undersea vehicle,UUV)是水下作业探测中一种应用广泛的工具,它能否很好地适应水下环境对其远距离正常工作有着重要影响。与水下鱼类对比,机器人与水下环境间的交互能力相去较远,其中尤以水下机器人对海洋环境的水流特征识别最为重要。传统UUV在水下的控制运行必须消耗大量能量维持状态与运行,这种被动应对环境的方式具有很大的不足,也对无线遥控水下机器人的生存造成障碍。因此,水下机器人能否正确感知水流是其能否进一步探索利用海洋的重要因素。研究发现,鱼类的侧线系统可感知水流,并辅助运动规划。研究鱼类侧线感知水流的机理,针对鱼雷型UUV的不同水流环境,使用计算流体动力学方法提取本体压力数据,选择线性判别分析与支持向量机技术训练并建立水流感知分类模型,从功能角度仿生侧线感应水流能力。模型测试表明,不同的水流工况下UUV识别到不同模式,可进行本体周围水况区分度辨识,为水下机器人识别水流环境与利用海洋提供一种新的视度。     

基于小波的无人潜航器航位推算算法研究

针对无人潜航器(unmanned underwater vehicle,UUV)在多普勒计程仪(Doppler velocity log,DVL)的量测噪声以及安装角偏离误差影响下,自主航行时不能满足长时间导航定位的问题,一方面基于Mallat算法的小波分解和单层重构方法对DVL量测速度进行滤波;另一方面,利用UUV湖试数据对传感器的安装偏离误差进行了校正。针对UUV在高纬度、长时间航行特点,采用地球参考椭球体作为地球几何形状的数学描述。最后对提出的导航算法进行了算法验证及自主导航控制试验,结果表明UUV的自主导航定位精度均小于0.5%,满足设计要求,并优于改进前的航位推算算法。     

基于高斯混合容积卡尔曼滤波的UUV自主导航定位算法

针对过程噪声为非理想高斯分布时无人水下航行器(UUV)自主导航定位存在噪声模型失配的问题,将高斯混合密度模型与容积卡尔曼滤波(CKF)相结合,设计了基于高斯混合容积卡尔曼滤波(GM-CKF)的UUV导航定位算法。建立了UUV运动模型及观测模型,利用CKF完成各高斯分量的预测更新,并将更新结果进行融合缩减与加权求和,从而实现UUV自主导航定位。通过与EKF、UKF和CKF算法仿真对比实验,验证了GM-CKF可以提高估计精度;通过UUV湖试试验,验证了基于GM-CKF的UUV自主导航定位精度和稳定性优于传统算法,其计算时间满足实时导航定位的要求。     

气控滑翔式水下机器人及其控制系统的分析

针对现有民用水下机器人产品少且价格昂贵的现状,提出并设计一种气控滑翔式水下机器人。该机器人以压缩空气作为动力源,结构简单、造价低廉。本研究对机器人的结构及工作过程进行了介绍,并推导了该机器人姿态调整闭环控制系统的传递函数,使用MABLAT进行了仿真分析,得到的结论验证了此闭环系统的可行性,并对此系统设计提供理论基础。     

基于AMESim的水下节能液压系统仿真分析

为满足水下恶劣工况,水下装备液压驱动以高可靠、控制性能优异的定量泵比例控制为主,但阀控液压系统能耗过大,使水下能量受限问题日益突出,制约了水下装备的发展。通过仿真开展了基于定量泵的水下节能液压系统研究。首先建立AMESim水下比例阀控及变频恒压泵控液压系统仿真模型,并设计了系统控制器;随后对液压系统能耗特性进行仿真分析。结果表明,泵控液压系统能耗比阀控液压系统低70%以上,且随着工作水深增加,节能效果增大。相对于目前水下阀控液压系统,变频恒压泵控系统在不增加系统复杂性同时节能效果明显,可有效降低系统能量消耗,提高水下装备的可靠性及稳定性。     

压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理

宏压电纤维复合材料（Macro fiber composite,MFC）克服了传统压电材料在韧性和脆性方面的不足,具有驱动变形大、柔韧性好且防水性好的优点,在仿生变形驱动领域具有广泛的应用前景。模仿锦鲤鱼类的形态特征和身体/尾鳍（Body or caudal fin,BCF）游动推进模式,提出了一种MFC致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器。在峰值1 000 V、频率7.5 Hz的简谐激励电压下,试验测得推进器末端水下最大摆速154.5 mm/s。采用计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）分析了推进器摆动过程中周围流场分布及变化情况。仿真结果表明,推进器在稳定推进阶段产生的瞬时最大推进力和平均推进力分别为9.8 mN和4.22 mN,与Lighthill细长体理论一致;同时从推进器周围的周期平均流场结构中观察到了一片流速约为推进器结构最大摆速2倍的高速流场区域,且始终存在着一对对称分布、旋向相反的涡环结构沿着推进器顺流而下,因此产生一股高速水流从推进器尾部喷射而出,而推进器在高速水流的反作用力下向前推进,从而揭示了仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器的流固耦合特性和推进机理。     

挖掘机器人的模型与自适应模糊滑模控制

为实现挖掘机器人的自动挖掘,在挖掘机器人的轨迹规划器给出铲斗期望运动轨迹的情况下,需要挖掘机器人的控制系统能够控制其工作装置实现对给定轨迹的准确跟踪.利用拉格朗日方法建立了挖掘机器人工作装置的三自由度动力学方程,设计了自适应模糊滑模变结构控制器.利用模糊控制动态调节切换增益,将滑模控制的切换项转化为连续的模糊系统,增强了控制系统对挖掘机器人工作装置不确定性和外界干扰的鲁棒性,削弱了滑模控制的抖振现象,并且有较强的自适应跟踪能力.利用MATLAB7.4/Simulink工具箱对所设计的控制器进行了仿真,给出了自适应模糊滑模控制的跟踪性能及误差.