多关节仿生机器鱼建模分析与仿真

针对仿生机器鱼建模的复杂性,以三关节机器鱼为研究对象,基于动力学和运动学进行机器鱼的模型构建,并进行控制方式的仿真分析。首先,对鱼类和机器鱼的控制方式、动力学和运动学特性进行分析。其次,使用SolidWorks搭建机器鱼物理模型,并将其导入MATLAB中以建立Simscape仿真模型。最后,通过仿真实验分析评估机器鱼模型性能。结果表明,机器鱼模型三个关节角度的时间变化曲线相对平滑,没有明显突变或抖动,展现出稳定的运动行为,验证了该模型在设计和参数调节方面的合理性。     

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。     

仿生机器鱼监控系统设计与实现

仿生机器鱼作为一种高效的水下推进机器人,在水域探测、开发、安防等方面具有广阔的潜在应用前景。仿生机器鱼监控系统的设计是仿生机器鱼游动机理和运动控制的重要基础。文章围绕监控系统的硬件、软件、无线通信与系统界面,设计了一种仿生机器鱼监控系统,搭建了仿生机器鱼监控系统实验测试平台,并对其测试结果进行分析。结果表明:仿生机器鱼根据系统中的输入命令能够做出相应的动作,同时系统界面上产生不同运动模态下的曲线;仿生机器鱼执行命令时实时向监控计算机发送返回值,实现两者之间的无线通信协议;监控计算机与仿生机器鱼可以实现稳定交换游动控制命令、游动模式、游动姿态等数据,运行效果良好。     

水下仿生机器鱼控制平台的研究

针对水下仿生机器鱼(简称机器鱼)实验以及应用等要求,结合图像识别、无线通信和人工智能等技术,设计了机器鱼控制平台。该控制平台通过HLS变换,二值化等算法,克服了图像出像麻点与光照不均等影响机器鱼控制的问题。通过对实验结果分析,进一步验证了该平台对机器鱼控制的正确性和有效性。该控制平台能为机器鱼的研究提供良好的环境。     

ICPF驱动的微型机器鱼游速的影响因素分析

为使ICPF驱动的柔性微型机器鱼较好地应用于血管微创手术和工业管道检测等领域,对机器鱼进行理论研究是必需的.依据库塔-儒柯夫斯基定理得到鱼尾在流体中产生的推力,建立了机器鱼的动力学模型.分析了机器鱼游动速度的变化规律;尾鳍摆动角度的幅值、相位、频率对机器鱼游速的影响规律.为以后研究优化机器鱼的游动能力,提高机器鱼的可靠性和灵活性提供了理论依据.     

柔性拍动翼的水动力与推进效率研究

为研究柔性拍动翼的水动力性能及指导仿生推进器的设计,应用自主开发的浸入边界法CFD程序数值模拟了三维柔性翼的非定常绕流问题.在固定的笛卡尔网格上通过基于虚拟网格的边界条件重建算法来施加复杂移动变形边界对流动的影响,以能量的视角提出一种对刚性和柔性拍动翼都适用的推进效率数值计算方法,并系统地研究了各参数对三维柔性翼推进性能的影响.结果表明:当变形运动控制参数ε处于2.0~3.5,且弦向变形系数δ为0.1时,柔性拍动翼的推进效率将超过刚性翼;柔性翼性能随变形运动控制参数的变化取决于水动力产生表象之下的涡动力学,包括翼尾缘变形对漩涡脱落的控制和展向涡量输运机制;柔性拍动翼的平均推力随无因次频率k的增大而单调增加,与实验中依靠胸鳍推进的鱼通过增加胸鳍的拍动频率来增加推力的现象是一致的;存在一个使柔性翼的推进效率最高的最优k,即实验中依靠尾鳍推进的鱼存在一个最优斯特劳哈尔数,使效率最佳的特性在模拟中得以体现.     

仿生航行器的研究进展

由于仿生航行器具有高效性和高机动性等优点,已成为仿生机器的研究热点。仿生飞行器以扑翼式飞行器和机器鱼为主,本文主要综述了扑翼式飞行器的空气动力学、结构原理和研究方法等内容,并重点介绍了机器鱼的力学分析理论、计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)分析方法以及身体/尾鳍模式和中央鳍/对鳍模式两类仿生鱼的结构原理和发展现状,总结了仿生机器鱼在推进机理、设计优化、运动控制等方面所面临的问题。研究结果表明,机器鱼的扑翼系统可实现集上浮、悬停和推进于一体,将有限的动力分配到各个机构,实现了动力的有效分配。同时,结合机器鱼的局限性,本研究还提出了一种新型的扑翼机器鱼的可能性,为后续研究提供了一定的思路。该研究为海洋资源的勘探、民用及军事领域的发展提供了理论基础。     

人工鱼虚拟嗅觉系统研究

为了丰富人工鱼的感知能力，提高对自然鱼的逼真动画效果，在分析“自然鱼”嗅觉机制、参考“机器鱼”感知系统的基础上，研究并实现了人工鱼的一种虚拟嗅觉系统。首先建立了智能虚拟环境下人工鱼的嗅觉感知模型，并仿照生物嗅觉形成机理设计了三层嗅觉识别模型，采用基于主成分分析的模糊识别方法实现了嗅觉信息的识别。经动画仿真，得到满意结果。嗅觉系统的研究和实现为人工鱼多感知融合系统提供了基础，也可为机器鱼嗅觉研究提供软件仿真平台。     

基于中枢模式发生器的机器鱼分层闭环控制方法

为实现多关节仿生机器鱼自主巡航及柔性游动的同步控制,采用双向链式最近相邻耦合方式,构建了基于Hopf振荡器的中枢模式发生器（CPG）网络模型,并分析了控制参数与机器鱼游动模态之间的关系。在此基础上,提出了一种基于CPG的分层闭环控制方法,利用传感器网络获取机器鱼的状态信息及环境信息、粒子群-人工势场法进行机器鱼的避障及路径规划、模糊控制器进行轨迹跟踪、具有耦合反馈机制的CPG网络模型生成节律控制信号。最后,进行了机器鱼多个游动模态、模态间的平滑切换、自主巡航和避障的仿真和实验研究,仿真与实验结果验证了所提控制方法的可行性和有效性。     

人工鱼虚拟嗅觉系统研究

为了丰富人工鱼的感知能力，提高对自然鱼的逼真动画效果，在分析“自然鱼”嗅觉机制、参考“机器鱼”感知系统的基础上，研究并实现了人工鱼的一种虚拟嗅觉系统。首先建立了智能虚拟环境下人工鱼的嗅觉感知模型，并仿照生物嗅觉形成机理设计了三层嗅觉识别模型，采用基于主成分分析的模糊识别方法实现了嗅觉信息的识别。经动画仿真，得到满意结果。嗅觉系统的研究和实现为人工鱼多感知融合系统提供了基础，也可为机器鱼嗅觉研究提供软件仿真平台。     

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...     

肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器

模拟乌贼鳍动作的肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器由推进模块、遥控模块、驱动模块和电池组等几部分组成.推进模块由2个水平鳍构成,每个水平鳍由1张鳍膜和5个由形状记忆合金丝驱动的柔性鳍单元组合而成.柔性鳍单元模拟乌贼鳍结构,能实现柔性弯曲.柔性鳍单元动作过程中利用弹性机制,在弯曲时存储弹性能,在回复时释放弹性能,从而减少能量消耗.对柔性鳍单元的形状记忆合金丝进行了热力学分析,发现采用短脉宽、大电流的脉冲可使柔性鳍单元在较高动作频率时,达到较大的弯曲角度.在空气中和水中对柔性鳍单元进行了弯曲试验,验证了柔性鳍单元的设想和控制方法.对该推进器模仿短鳍乌贼的鳍拍动进行了游动试验,达到了40mm/s的最大直线游动速度和22(°)/s的最大打转游动速度.该推进器对环境友好,能实现柔性动作和水下无声推进.     

微扑翼飞行器位置控制研究

研究了微扑翼飞行器位置控制系统设计.在完成气动力计算模型和运动参数(拍动平面夹角、拍动频率、拍动幅值、旋转幅值)对气动力影响基础上,建立了微扑翼飞行器纵向动力学模型,采用了切换控制策略,选择拍动平面夹角和拍动幅值作为控制参数,利用位置误差和速度误差线性组合作为反馈信号,计算平均力,确定切换参数,完成控制规律设计.对爬升和水平飞行的控制进行了仿真实验.仿真结果表明,在切换控制策略下,Y方向上经过0.13 s后进入平飞阶段,Z方向上经过5 s后进入平飞阶段,在一定的误差范围内,所设计的控制规律可以实现位置控制.     

当前小型仿生扑翼飞行机器人研究综述

本文介绍了国内外仿生扑翼飞行机器人的发展现状,简述了部分关于扑翼飞行机器人的研究成果,重点从机械工程学科角度阐述了扑翼飞行机器人设计中涉及到的技术重点与难点.并主要对扑翼结构、扑翼机构设计与动力能源选择三方面进行了分析,对小型扑翼飞行机器人的未来技术发展方向进行了讨论与展望.     

仿蝙蝠折叠扑翼机构设计与分析

基于对蝙蝠飞行方式的研究,提出了一种仿蝙蝠扑翼飞行器设计方案,并且通过单一原动件驱动,既实现了拍动和折叠的耦合协调运动,又提高了系统的单位质量功率系数.设计的对称双翼拍动机构能保证左右翅膀同步运动,为飞行器的平稳飞行提供了保证.采用凸轮机构来控制翅翼的伸展和收缩,通过调整凸轮外轮廓线和初始相位角可以控制蝙蝠翅翼的折叠状况.拍动机构和翅翼折叠机构的协调耦合,可以实现翅翼空间运行轨迹的规划.建立了翅膀拍动和折叠的数学模型,在此基础上编写了仿真程序,仿真结果达到了预期的目标.     

连杆滚轮式水力自动翻板闸门模型试验研究

通过模型实验的方法。验证了连杆滚轮式水力自动翻板闸门的水力特性；着重分析了造成闸门“摆动”的原因，并就减缓“摆动”提出了几点防治措施；比较了计算翻板闸门过闸流量的3种方法。从而选择确定了适合本实验模型的流量计算公式。     

扑翼柔性变形对悬停气动特性影响的数值研究

为研究扑动飞行器悬停时扑翼的变形给气动力及周围流场带来的影响,通过求解二维Navier-Stokes方程,分析了扑翼气动力及其周围流场结构随扑翼柔性变形的变化规律.结果显示,当扑翼在悬停扑动时,适当的柔性变形可以提高升力,增大升阻比,有效地改善气动特性.但是,过度的柔性变形会使扑翼的气动特性恶化,升力和升阻比随着过度的变形而减小.     

Experimental and numerical study on the flapping motion of submerged turbulent plane jet

A submerged,vertical turbulent plane water jet impinging onto a free surface will be self-excited into a flapping oscillation when the jet velocity,leaving the jet orifice,exceeds a critical value.The flapping phenomenon was verified simultaneously in this paper by laser Doppler velocimeter measurement and numerical analyses with volume of fluid approach coupled with a large eddy simulation turbulent model.The general agreement of mean velocities between numerical predictions and experimental results in self-similar region is good for two cases:Reynolds numbers 2090 and 2970,which correspond to the stable impinging jet and flapping jet.Results show that the flapping jet is a new flow pattern for submerged turbulent plane jets with characteristic flapping frequency,and that the decay of the mean velocity along the jet centerline is considerably faster than that of the stable impinging state.     

转动翼板的展向环量分析

展向环量的存在是扑翼飞行的特点,在扑翼飞行的仿生研究中必须注意对展向环量的分析。本文拟就扑翼的简化模型—转动翼板进行分析,利用理想流体的两旋点流动模型确定它的展向环量。     

扑翼气动力特性的数值研究

利用流体力学数值方法有限体积法,研究了低雷诺数下二维蜻蜓翼模型在运动过程中的气动力特性.结果表明:随翼型厚度的增加,其垂直升力和水平推力均有所下降;随着扑动幅值的增加,升力和推力也显著增加;改变扑动频率、升力和推力在频率为30~50Hz的范围内产生一个峰值,符合实际蜻蜓扑动频率范围;改变翼扑动平面倾角发现,随倾角的增大,升力逐渐减小,而推力则稳步增加;在一个扑动周期内,翼的下拍过程主要产生升力,而推力的产生主要来源于翼的上挥运动.