仿胸鳍推进系统的水动力实验研究

为了研究仿生力学在非定常流动中的应用,针对刚性胸鳍建立了二自由度运动模型,设计了实现二自由度运动模式的仿胸鳍操纵系统的实验装置.胸鳍推进系统主体由两个伺服电机控制系统组成,能够产生限定范围内的各种预定的摇翼运动和前后拍翼运动的组合.研究耦合运动的相位差、摆动频率、滚转幅值、拍动幅值、滚转偏角、拍翼偏角等参数对胸鳍水动力性能的影响,得到各水动力系数在一个周期内随时间的变化趋势.实验结果为研发高机动仿生水下机器人奠定了技术基础.     

非正弦升沉运动对扑翼自主推进的影响

为了研究仿生推进机理以及仿生机器人,弥补非自主推进的局限性,采用数值方法耦合求解流体动力与扑翼运动,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,K作为波形调节参数使波形由三角波变为正弦波以及方波,数值模拟了2个频率-升沉幅值组合下非正弦升沉运动的自主推进性能,研究在静水中不同运动波形对自主推进速度、自主推进效率以及流场结构的影响。结果表明非正弦波形对自主推进运动影响很大,随着K的增大即越接近方波,速度振荡越剧烈,起动加速越快,前进位移与平均速度越大;随着K的减小,自主推进效率及能量利用率不断增大,研究结果对仿生水下航行器的设计有一定指导意义。     

基于Hopf振荡器的仿生机器魟鱼胸鳍波形控制算法

为了获得与生物魟鱼胸鳍相近的推进波形和游动性能,提出基于Hopf振荡器的仿生中枢模式发生器（CPG）胸鳍波形控制策略. 针对仿生机器魟鱼的结构与游动特征,利用20个Hopf振荡器耦合构建中心式CPG拓扑网络模型;通过输入参数幅值、频率和波数,控制该拓扑网络模型输出仿生机器魟鱼定常巡游、加速游动和机动转弯3种游动模式下胸鳍波形的动态位置信号. 通过仿真验证了该拓扑网络模型能够快速响应输入参数的变化,稳定输出平滑、连续的动态位置信号. 通过试验研究该拓扑网络模型控制仿生机器魟鱼胸鳍波动的可行性以及网络的输入参数对仿生机器魟鱼游动性能的影响. 试验结果表明,该模型能够稳定地输出耦合的波形信号,控制仿生机器魟鱼鳍面形成与生物鱼相似的推进波形,实现各游动模式以及各游动模式间灵活平滑地切换.     

仿生双尾推进的试验研究

针对单尾鳍摆动推进存在的机器鱼摇艏问题,理论分析了仿鱼尾鳍摆动过程中推力系数和侧向力系数的脉动情况,设计出仿生双尾推进器,并将其应用于小水线面双体船,开发出新型仿生双尾推进水上试验平台,同时,根据鱼类高效推进的机理,分析了仿生双尾推进器尾涡的相互影响.实验研究结果表明仿生双尾推进的尾鳍摆动频率和摆幅对推进性能影响较大,其中幅值的影响更加明显,月牙形尾鳍具有更高的推进效率.仿生双尾利用并发挥仿鱼推进的优点,具有良好的推进和操纵性能.     

海龟水翼运动模型及仿生推进机构研究

针对海龟水翼运动的特点,进行了仿水翼推进系统的研究.基于水翼运动的抽象分析,建立了二自由度水翼运动模型,描述了水翼运动典型状态下的翼态特征.设计了仿生运动机构,分析了其运动学特性,为优化仿生推进机构的设计与控制提供了依据.基于PC104和DSP构建了仿生机构的控制系统,实现了运动控制器的模块化设计.搭建了单肢运动实验平台,从功能仿生角度实现了水翼运动,试验验证了仿水翼机构运动的可行性和控制系统的有效性,丰富了水下推进理论.     

仿生机器魟鱼研制与游动性能实验研究

为了开发一种游动稳定性和机动性高的水下机器人,从鳐科模式游动的魟鱼胸鳍波动推进中得到灵感,在分析肌肉和骨骼结构的基础上,设计带有环形长鳍的仿生机器魟鱼,研究机动游动的控制策略.研制仿生机器魟鱼样机.基于游动图像序列处理方法,通过实验研究波动频率和幅值对游动性能的影响.结果表明,仿生样机能够实现与魟鱼相似的游动运动,游动稳定性好、机动性高,直线游动速度和原地转弯速度随波动频率和波动幅值的增大而增大,最大直线游动速度为109mm/s,最大原地转弯速度为93°/s.     

弦向变形相位角对柔性尾鳍影响的水动力研究

以仿生推进系统在海洋开发中的广阔应用为背景,以研究柔性尾鳍水动力性能为目的,探讨了弦向变形相位角对柔性尾鳍推进性能的影响.分别采用非定常面元法和求解RANS方程的方法,计算了摆动仿金枪鱼柔性尾鳍在不同弦向变形相位角下的水动力性能,并同水动力试验结果进行比较.计算结果显示弦向变形相位角对柔性尾鳍水动力系数幅值、相位和尾涡...     

约束条件下基于满意模型预测控制的动基座水下无人航行器对接控制

针对水下无人航行器与运动母船对接过程中存在多种复杂约束,单一优化目标无法满足多目标同时最优的问题,本文通过将满意控制思想引入到模型预测控制中,设计了一种约束条件下的多目标多自由度的满意模型预测控制对接控制器.首先,对动基座水下无人航行器对接过程中的多种复杂条件进行详细分析.然后,将水下无人航行器模型按照满意思想进行分布...     

水下航行器水动力系数计算方法研究

为了高效的求取水下航行器的水动力系数,文中提出了一种空间拘束运动模拟方法。与传统方法的反复计算不同,该方法仅需一次算例就可求得方程中的全部水动力系数,在保证计算精度的同时极大的缩短了计算周期。为了验证新方法的准确性,文中进一步完成了某航行器的平面机构运动试验以及该试验的数值模拟分析。两种CFD模拟方法计算得到的水动力系数值相当接近。说明在设计初期,用空间拘束运动模拟方法代替现有的常规平面拘束运动数值模拟,快速求得设计艇型的水动力系数是可行的。此外,新方法的计算结果与水池试验数据的误差较小,进一步表明该方法的可行性。     

水下航行器水动力系数计算方法研究

为了高效的求取水下航行器的水动力系数,文中提出了一种空间拘束运动模拟方法。与传统方法的反复计算不同,该方法仅需一次算例就可求得方程中的全部水动力系数,在保证计算精度的同时极大的缩短了计算周期。为了验证新方法的准确性,文中进一步完成了某航行器的平面机构运动试验以及该试验的数值模拟分析。两种CFD模拟方法计算得到的水动力系数值相当接近。说明在设计初期,用空间拘束运动模拟方法代替现有的常规平面拘束运动数值模拟,快速求得设计艇型的水动力系数是可行的。此外,新方法的计算结果与水池试验数据的误差较小,进一步表明该方法的可行性。     

一种双关节机器鱼的设计与实现

针对水产养殖和水环境保护领域对移动式水质监测的需求,本文设计了一种双关节仿生机器鱼。通过分析机器鱼的游动和转向规律,建立了双关节机器鱼的动力学模型,提出了基于模糊控制的复合避障算法、并通过仿真验证了其可行性。选择双关节尾鳍推进方式,完成了机器鱼的机械结构设计;以STM32单片机为控制核心、舵机作为运动执行元件、5个红外测距传感器合理布局实现避障、Lora无线传输方式实现机器鱼与主机的通信,完成了机器鱼控制系统的设计。最后,搭载水质传感器在实际水域对该机器鱼进行了应用测试,测试结果表明机器鱼可以成功避开障碍物并完成水质参数的采集任务、数据准确性高且具有低扰动性。     

形状记忆合金丝驱动的触手推进式仿生水母

为研制一种高效自主游动的新型水下机器人,受水母的身体特征和鱼尾的推进模式的启发,利用智能材料——形状记忆合金丝(shape memory alloy,SMA)模拟肌肉纤维作为驱动材料,在对水母整体结构进行仿生改造,并对其运动策略进行分析的基础上,研制了一种由6个仿生触手推进器驱动的仿生机器水母原理样机．该机器人总长230 mm,直径110 mm,总质量590 g,自带能源动力,在无线遥控下能达到115 mm／s的直线游动速度和18 °／s的转弯速度．实验结果表明:该仿生水下机器人结构、密封简单,机动性强,能够无声推进,并具有生物友好性等优点,验证了形状记忆合金丝做仿生肌肉材料的可行性．     

仿生波动鳍的试验研究

波动鳍是某些MPF鱼类的重要推进器,它通过在水中的波动来产生推进和机动所需的操控力和操控力矩.通过观察可知,波动鳍具有非常优秀的低速稳定和机动性能,可作为传统水下推进器的一种有益补充.该文从波动鳍的推进机理出发,设计了一种仿生波动鳍试验装置,该装置采用"鳍条-柔性蹼"结构,由9根鳍条组成,且每根鳍条均由一个舵机进行独立控制.针对载体推进速度与仿生波动鳍的波频、波幅、波长和波传播方向的关系开展了水池试验研究.试验结果表明,通过对仿生波动鳍的波动进行控制,能够使载体实现灵活的正逆向推进,且不同的波动参数对推进速度和推进效率有较大影响.     

形状记忆合金驱动手指功能康复外骨骼设计

为了研制适应关节黏弹特性、轻便、可穿戴的手指功能康复装置,在分析手指关节、肌腱运动机理的基础上,设计形状记忆合金（SMA）丝驱动的手指功能康复装置.建立该装置的运动学模型和SMA驱动模型,提出基于SMA丝电阻反馈的模糊神经网络PID控制方法,研制手指功能康复外骨骼样机,进行样机的运动性能和控制性能实验.结果表明,仿生外骨骼实现了预期的手指被动康复运动,拇指、食指和中指的最大弯曲角度与人体手指的弯曲角度相近,分别为130.5°、236.4°、242.5°;仿生外骨骼能够辅助手指完成日常抓握动作;模糊神经网络PID相比于传统PID控制,有效缩短了仿生外骨骼的响应时间,手指的屈伸康复频率为6次/min.     

深井提升尾绳动力学建模及摆动参数分析

针对深井提升机提升运动中尾绳摆动引起的尾绳寿命短的问题,采用离散化建模的方法,使用机械系统动力学仿真软件(automatic dynamic analysis of mechanical systems, ADAMS)建立尾绳黏弹性振动模型,实现尾绳的运动仿真,研究尾绳的摆动特性。设计试验记录井筒底部回转处尾绳摆幅,并与仿真结果比对,验证模型的合理性。分析不同参数对尾绳摆幅的影响。结果表明:尾绳微段在井筒底部回转处分别产生左右两侧的最大摆动位移,尾绳摆幅与垂向转动刚度系数K_TZ、垂向转动阻尼系数C_TZ以及质量密切相关,左右摆幅分别受垂向转动阻尼系数和质量影响最大,在单独提高50%自身参数后,分别增加26.41%和21.75%。试验结果与仿真结果基本一致,可为尾绳选型、构建隔离装置提供参考。     

Modeling and Experimental Investigation of Propulsion Device of the Following KE Penetrator of Tandem Warheads

A propulsion device of following kinetic energy (KE) penetrator of tandem warheads due to shear ring mode is designed. An interior ballistics model is set up with the hypothesis of instantaneous shearing action. The influence of different factors on the interior ballistic characteristics of propulsion device is discussed. The relations between the initial velocity of the following KE penetrator and chamber pressure with time and travel are obtained. The theoretical model is verified through experimental results and can be used as a reference for tandem warheads design.     

仿胸鳍推进系统的水动力分析

针对刚性胸鳍建立了二自由度、三自由度的运动模型,同时提出了行程时间比运动模型.在此基础上,从面元法出发,根据偶极子分布与漩涡分布的等效性,发展得到非定常涡格法的理论公式,利用非定常涡格法分析刚性胸鳍的水动力性能.胸鳍的运动由静止突然加速到恒定,在每个时间步长内用定常涡格法求解附着涡的涡强.自由涡由边缘泄出,并按时间步长逐步自动生成,并考虑其强度的耗散.采用Biot-Savart定理求涡系的诱导速度,通过非定常伯努利方程导出压力计算公式,从而得到胸鳍的水动力性能.