水翼法推进的仿生AUV研制及实验

为丰富水下推进方式,进行了海龟水翼法推进技术仿生及实验研究.基于生物原型运动机理和本构特性分析,研制了仿水翼运动机构、仿蹼翼运动机构和仿生水翼法推进AUV,并进行了仿生AUV水池转首性能测试实验等,验证了运动参数变化对AUV所受纵向力分量和平面转首力矩的影响.实验结果表明,水翼拍旋角速度ω1对于AUV转首速度的影响呈降加速度正比趋势;AUV样机双翼反向差动转首因增加了涡漩阻力,比单肢转首运动的效率提高约60％等,这些为仿生AUV运动控制策略研究提供依据.     

电机-智能材料复合型仿生鳍设计及分析

针对目前开发的仿生鱼鳍驱动方式及其功能单一等不足,提出一种电机-智能材料复合型仿生鳍。首先介绍仿生鳍机构原理及设计思路,对仿生鳍单元的运动关系进行建模;结合动力学仿真软件分析不同曲柄长度时鳍条运动角位移、角速度和角加速度随时间的变化情况;最后试验测试仿生鳍推进器的平均推进速度和平均推进力随鳍条运动频率的变化情况,并比较分析相同运动学参数下鳍条摆幅从根部至端部逐渐增大运动模式和鳍条摆幅从根部至端部等幅运动模式推进性能的差异。该研究充分利用机电系统响应速度快和驱动力大的优势,结合智能材料形状记忆合金功重比高和柔性驱动等优点,使仿生鳍不仅实现了两种驱动方式上的融合,而且通过仿生鳍的多种运动方式(波动、摆动以及复杂三维柔性运动),满足了巡游、转弯以及稳定性调节等多种需求。     

基于拍动推进方式的新型水下滑翔机运动特性研究

论文在传统水下滑翔机设计的基础上引入仿生推进的设计理念,希望借助水翼的运动来增加滑翔机的前进速度,从而克服传统水下滑翔机"随波逐流"的缺点。结合浸没边界法采用自编程序,通过求解不可压粘性N-S方程对水下滑翔机仿生推进运动进行了数值模拟研究。分析在不同来流速度下水翼运动参数对滑翔机推进性能的影响,通过自定义的推进效率以及对拍动翼后方涡流场结构的分析确立了最佳运动参数。     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究

为了分析仿生机器鱼的推进模式并预测水下推进性能,对其水动力特性开展研究。基于鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼和波动推进理论,研究入流速度和波动频率对自推进性能的影响。对胸鳍在不同攻角下的升阻比进行数值计算,最佳攻角为20°。通过研究掌握了影响运动性能的主要因素,确定了计算自推进速度的数值方法,改进了机器鱼波动推进模型。研究结果显示,尾部波动频率是最关键参数,对仿生机器鱼的推力和启动响应速度有直接影响。     

线翎电鳗仿生鳍水动特性研究与试验测试

以线翎电鳗为仿生对象，设计一款鳍条驱动的波动长鳍，建立其运动学模型，采用SST k-ω湍流模型对三维非定常不可压缩流体的N-S方程进行求解，研究波动鳍的水动特性并分析波动鳍摆动角度、摆动频率等运动参数对波动鳍推进性能的影响。针对波动鳍需要经常贴近水底工作的情况，研究波动鳍与底面距离的变化对推进性能的影响。研究表明：在波动鳍运动时，鳍面两侧形成较为明显的反卡门涡街，从而在波动鳍的尾部形成一股射流，产生向前的推力；波动鳍的推力和横向力都随着摆动角度、摆动频率的增加而增加，但在一个时间周期内，推力的波动次数大约是横向力的2倍；波动鳍与底面距离的变化对波动鳍的推力影响很小，但当波动鳍与底面距离小于波动鳍宽度的1/5时，波动鳍的横向力明显增大。通过试验验证了数值模拟结果的正确性与合理性，该研究可为高性能波动鳍推进器的设计提供理论依据。     

多关节仿鱼运动推进机构的设计与实现

鱼类效率高、机动性强、持久力长的游动方式为人类水中运输设备提供了极佳的设计思路.通过模仿鱼类的运动方式,可设计出新颖的水下运输、作业装备.本文以仿鱼推进机构的设计和实现为目标,根据鱼类游动的特点,对其运动方式进行数字模拟,分析影响其游动性能的关键参数,并建立鱼类游动的数学模型.据此给出了一种多关节仿鱼推进机构的设计方案,完成了辅助这种仿生推进机构设计的仿真软件.借助可视化的鱼类游动及控制的仿真,给出仿鱼推进机构的关键参数,并研制了采用鱼类游动方式运动的仿生机器鱼.     

球形水下机器人滚进特性试验与动力学建模分析北大核心CSCD

[目的]为了探究球形水下机器人的滚进运动规律,以及质量分布对其运动的影响,对其机械机构进行创新设计及分析。[方法]首先,依据牛顿-欧拉方法建立球形机器人的滚进动力学模型;然后,通过地面滚进试验和水下滚进动力学理论研究,分析机器人的质量分配对滚进运动产生的影响;最后,通过搭建仿真环境和虚拟样机,对球形水下机器人在水下和陆地的滚进动力学进行对比分析。[结果]结果表明,当内置小车以恒定角速度输出时,该球形机器人的运动位移呈波动变化且驱动小车在球壳内的摆角也成周期性变化规律;当增加驱动配重时,小车摆角的周期和幅值均相应变小,球形水下机器人的运动更为稳定。[结论]所做研究可为球形水下机器人的设计优化提供指导。     

仿生机器鱼的运动规律研究

仿生机器鱼技术为研究高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路，是近几年水下机器人领域的研究热点之一。基于仿生机器鱼的运动模型，研究了它的运动规律，并进行了计算机仿真研究。仿真结果表明，尾鳍摆动频率和两关节相位差对推进速度有较大的影响。     

水下机器人结构形式及其发展趋势分析

水下机器人的结构是影响其运动性能的重要因素。按框架式、刚性外壳仿生式、柔性外壳仿生式、球形、滑翔式和链式6类结构,对水下机器人结构形式的发展现状和存在的关键技术问题进行分析。重点分析各类结构的驱动速度、加装载重和运动灵活性,以及在水下环境中的运动性和适应性。研究结果表明,水下机器人的结构形式正朝着高度柔性化、整体与局部结构之间高度变形化和多体结构可分离化的方向发展。     

一种新型水上减阻仿生技术研究

传统排水型两栖车辆航速在15km/h时出现"阻力墙"现象,致使水阻力急剧增大,限制航速进一步提升。文章从蛇怪蜥蜴高速踏水方式构思,基于固-液体高速作用动力学原理,提出了一种基于改变两栖车体航态的仿生减阻技术。其依靠仿生叶轮与水的高速作用产生向上托举力和向前推进力,将两栖车体托举出水面,进入高速滑行状态,从而避开"阻力墙"现象。仿真分析了刚性叶片夹角θ、入水深度h、转速ω等物理参数对水动力性能的影响,着重讨论了转速ω的影响,并给出了临界范围。结合先期原理试验,初步验证了此仿生技术能够实现两栖车体辆从排水状态进入高速滑行状态,从而避开"阻力墙"现象,达到减少水阻力的目的。     

基于ADAMS的水下扩展机构动力学仿真

为了分析水下扩展机构在不同驱动条件下的动态响应特性，本文建立了水下扩展机构的运动学模型和动力学模型，并利用ADAMS进行动力学仿真。通过仿真得到了水下扩展机构分别在恒速驱动与恒力驱动下，扩展臂的运动参数动态响应曲线，以及机构组成杆件运动副处的约束力随时间变化曲线。结果表明：在恒速驱动下，机构运动时间较长，到位时角速度较小机构能快速稳定；在恒力驱动下，机构动作较为平稳且运动时间短，但角加速度变化复杂，到位时角速度较大，到位后有震荡运动产生。本文的研究为后续驱动控制系统的设计提供理论基础，具有重要的工程实际价值。     

输入扰动对波动鳍推进性能影响的研究

输入扰动对波动鳍推进性能影响是一个新兴的研究领域。本文分析了高频率、小幅度和短波长的正弦波形叠加于波动鳍上时对波动鳍推进力的影响。建立运动学模型,利用四面体网格对计算区域进行划分,采用非耦合隐式求解器求解非定常不可压缩N-S方程和连续性方程。给出计算条件,并对算法给予验证。比较等波幅和变波幅两种正弦扰动波形下,波动鳍的无量纲阻力系数、阻力系数均值以及涡量场随周期(0.05 s、0.1 s、0.3 s、0.5 s、0.8 s)、幅度(0.0008 m、0.001 m、0.0015 m)和波长(0.002 m、0.008 m、0.012 m)的变化情况,从涡动力学角度对该影响进行解释。结果显示:输入扰动不仅影响了波动鳍前缘涡的传递,并对波动鳍周边及尾迹区域漩涡数量和强度产生了改变。除在特定条件外,输入扰动对波动鳍推进力产生负面影响,变波幅扰动的影响要大于等波幅情况。该研究可为波动鳍选择合适参数的输入扰动以提高推进力提供参考。     

仿胸鳍/尾鳍推进水下航行器方案设计与模型试验

针对小型水下航行器开展了系统方案设计,系统主要包括中央主体模块、胸鳍模块、尾部推进模块及控制模块。选用可编程序控制器(PLC)实施运动控制,完成了模型制作,编写了控制程序,并进行了初步的模型试验,探讨了仿生水下航行器运动的基本性能。     

三维摆动尾鳍的数值模拟

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景,本文以金枪鱼尾鳍为研究对象,建立了三维刚性仿生尾鳍模型,使用大型通用CFD商业软件FLUENT对特定工况下尾鳍作纵摇升沉耦合运动的非定常流场进行了数值计算,给出了尾鳍的水动力系数和尾流区域的流场特征图,初步探讨了三维仿生尾鳍的推进机理。     

水下滑翔机器鱼机构设计与运动性能分析

本文设计了一种具有仿生尾鳍的水下滑翔机器人混合驱动机构,通过内部质量块的平移、旋转、仿生尾鳍的偏置以及外部皮囊的伸缩可实现滑翔机器人的小半径三维螺旋运动。同时,建立了水下滑翔机器鱼的水动力学模型,得到了稳态螺旋运动方程,给出了俯仰调节机构质心位置、尾鳍角、横滚调节机构质心旋转角与转弯半径和垂直速度之间的关系,以及每种稳态螺旋运动所对应的输出变量初值的取值范围。所得结果表明,在俯仰调节、浮力调节、横滚调节和尾鳍驱动的共同作用下,水下滑翔机器鱼可以获得更小的转弯半径,因而机动性更好。所设计的水下滑翔机器鱼在河流和湖泊等环境的水质监测、水下柱形区域取样等领域具有潜在的应用价值。     

仿生减摇鳍升力数学模型的全局误差与稳定性

研究了零航速时仿生减摇鳍产生升力的数学模型,讨论了Weis-Fogh 机构如何旋转才能产生船舶减摇所需要的指定升力,其基础为Weis-Fogh 机构理论.首先把问题转化为求解微分方程问题,依据吕卡提方程,给出模型周期解的存在性和稳定性条件;然后采用单步Runge-Kutta方法求出模型的数值解,并分析数值解的全局误差;最后给出保证数值解稳定的条件,并用相应的数值试验予以验证.     

深V型滑行艇纵向运动试验研究

深V型滑行艇模型纵向运动试验研究表明：规则波中,升沉响应的平均值与静水航行时的重心升高极为接近,纵摇响应的平均值与静水航行时的纵倾较为接近,证实了相同航速下滑行艇在波浪中航行的纵向运动是相对于静水浮态的升沉纵摇运动;随着航速的增加,升沉响应峰值、纵摇响应峰值、垂向运动加速度峰值都向长波方向移动;速度较高、波幅较大时,升沉、纵摇、垂向运动加速度是非线性的。