胸鳍波动模式仿生机器鱼研究浅析

本文介绍了仿生机器鱼的概况，着重综述了胸鳍波动仿生机器鱼的国内外研究现状，总结了胸鳍波动仿生机器鱼的特点，着重提出了仿生机器鱼研究的基础性问题，并详述了胸鳍波动仿生机器鱼研究的意义和技术发展趋势。     

多仿生机器鱼群体定位控制

研制了一种多微小型仿生机器鱼实验平台，对微小型机器鱼的游动速度、最小转弯半径和急转角度等机动性能进行了测试。在此基础上，进行了机器鱼水中定位控制的研究。由于水面波动和多机器鱼之间的相互干扰，机器鱼在水中的游动是一种高度的非线性问题，难以进行精确定位控制。提出了一种机器鱼自学习的算法，通过建立机器鱼行为信息数据库，实现了机器鱼的精确定位控制。     

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。     

尾鳍柔性变形对仿生机器鱼自主游动性能影响的研究

基于计算流体力学方法,数值模拟仿生机器鱼3自由度自主游动,比较刚性尾鳍和柔性变形尾鳍的推力、鱼体游动功率消耗和尾鳍前缘处的涡结构。计算结果表明,在相同运动参数下,柔性尾鳍能使机器鱼在加速阶段游得更快,而刚性尾鳍使机器鱼在巡游阶段游得更快;尾鳍柔性变形能降低巡游阶段机器鱼的侧向速度和首摇角速度的波动幅值,有利于航向稳定。游动速度对柔性尾鳍的推力有明显的负面影响,而对刚性尾鳍的推力影响不大。刚性尾鳍适用于机器鱼在较小的尾鳍侧向平移幅值下巡游,而柔性尾鳍适用于机器鱼在较大的侧向平移幅值下巡游。尾鳍的柔性变形会延迟前缘涡的产生和脱落,导致尾鳍在一个游动周期中的某个时间段形成阻力,不利于机器鱼高速巡游。     

水下智能仿生机器鱼容错控制数学建模研究

传统水下智能仿生机器鱼控制模型存在容错率低的问题。为了更好解决该问题,进行水下智能仿生机器鱼容错控制数学建模研究。构建仿生机器鱼机械动力学模型,获取仿生机器鱼的自身参数、水下参数与容错参数,引入容错控制算法对仿生机器鱼进行误差量追踪补偿计算,构建水下智能仿生机器鱼容错控制数学模型。在实验中通过控制容错率测试,证明该模型具有较强的容错控制能力。     

一种柔性胸鳍仿生鱼的初步设计和开发

设计开发一种以胸鳍作为动力推进系统的仿生机器鱼.该仿生鱼具有效率高、机动性好、噪音低,对环境扰动小的优点,并能利用柔性胸鳍摆动方式实现推进及水平面内的机动运动.所设计的仿生机器鱼具有一定的工程应用价值.     

新型两关节机器鱼的研制及实验研究

以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础,采用模块化设计思想,设计了新型两关节仿生机器鱼"HRF-Ⅱ",其尾部模块采用单电机驱动,易于实现尾部运动参数的调整;其升潜模块采用吸排水实现机器鱼升潜.对仿生机器鱼直线推进、转向、升潜和逆向游动的动作进行了水下实验.实验结果表明"HRF-Ⅱ"具备良好的推进特性和升潜特性,并且实现了逆向游动.     

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.     

基于网格算法的多仿生机器鱼协调游动控制

在多仿生机器鱼实验平台上,针对多仿生机器鱼按次通过水中一个狭孔的问题,进行了多机器鱼协调控制的初步研究.基于对实验场景视频图像的处理和识别结果,提出了一种多机器鱼游动路径规划的网格算法,实现了多条机器鱼之间无碰撞、无路径干涉的快速游动规划.     

展向刚度对拍动式仿生胸鳍水动力性能影响的实验研究

[目的]旨在研究拍动式胸鳍沿翼展方向结构设计刚度对其水动力性能的影响。[方法]提出一种柔性仿生胸鳍的非均匀展向刚度设计方法。通过搭建的胸鳍水动力性能实验平台,测试0.3～1.0 Hz驱动频率下不同展向刚度仿生胸鳍拍动时产生的平均推进力与平均侧向力,并结合高速摄像机采集的胸鳍运动图像序列,分析仿生胸鳍展向变形对其产生推进力的影响。[结果]实验结果表明,在测试的拍动频率范围内,柔性仿生胸鳍产生的平均推进力及平均侧向力均与鳍条的展向刚度大小及分布情况相关。通过优化机器鱼样机（XJmanta）柔性仿生胸鳍的展向刚度可使其最大游动速度提升约45%。[结论]研究成果可用于指导拍动式柔性仿生胸鳍的设计,优化胸鳍输出水动力性能,提升仿生机器鱼本体游动时的机动性。     

波状摆动式鱼类的推进性能研究

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,利用计算流体动力学软件Fluent对波状摆动式鱼类进行了数值模拟,建立波状摆动式鱼类的数值计算模型,研究不同变形参数对鱼类推进性能以及尾涡流场结构的影响。结果表明,随着波长的增加,鱼类能够获得更好的推进性能。通过对比不同频率下鱼类推进性能以及流场结构,探讨不同滑移率及斯特劳哈尔数对推进性能影响。     

自主航行模式下二维摆动尾鳍的推进性能研究

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,利用计算流体动力学软件Fluent对自主推进尾鳍的水动力特性进行数值模拟,分析了尾鳍在静水中作纵摇以及自主航行运动时的流场结构及水动力性能,建立了尾鳍摆动自主推进数值计算模型,研究了不同运动参数对尾鳍流场结构及水动性能的影响,确定了自主推进模式下的尾鳍运动速度,结果表明,随着尾鳍摆动频率的增加,尾鳍能够获得更大的推进和前进速度;通过对比尾鳍在约束模式和自主航行模式下的尾涡流场结构及演变过程,探讨了尾鳍惯性对其推进性能的影响.计算结果与文献模型实验具有良好的一致性.     

大攻角划船桨叶的数值模拟

采用非定常非线性涡格法对小展弦比大攻角薄翼的划船运动桨叶进行了定常、非定常运动数值模拟。通过对计算技巧的改进 ,扩展了非定常非线性涡格法的应用范围。对于极小展弦比 (λ=0 .2 )、大攻角 (α=60°)的薄翼的数值计算表明 ,所做的工作是成功的。计算了不同展弦比的平板、圆弧型桨叶的流体动力特性 ,机翼作简谐运动时的流体动力特性 ;计算了目前广泛应用的赛艇“Big Blade”桨叶的流体动力性能以及运动频率对流体动力性能的影响 ,还讨论了攻角、浸水深度等参数对桨叶流体动力性能的影响。     

基于拉线机构的机器鱼运动控制仿真研究

研究机器鱼是为了模仿鱼类的游动方式,研究出更为高效、灵活的水下航行器。文中介绍了一种基于拉线机构的机器鱼,主要介绍了对拉线机构应用在机器鱼推进上的仿真分析和控制。对拉线机构的鱼尾进行了仿真分析,并对比真实鱼类游动时的体干波曲线。仿真结果显示：基于拉线机构的机器鱼与传统的多关节串联驱动的机器鱼相比能更好地模拟真实鱼类的游动。制作了机器鱼样机和控制系统,用于进一步分析研究基于拉线机构的机器鱼的性能。     

涡流场中波动鱼形体推进特性数值模拟

基于动网格技术,采用商业软件Fluent对涡流场中波动鱼形体的推进特性进行数值模拟研究。通过在鱼形体上游布置一个方柱模拟涡流场,考察方柱与鱼形体之间的距离对鱼形体推进特性的影响。数值计算结果表明,根据鱼形体与方柱相互作用的不同,可将方柱的尾流场分为3个区域。结合鱼形体周围的涡流场结构、速度和压力分布云图,从流动机理的角度对数值预报结果进行解释。     

仿生机器鱼的快速起动性能研究

基于鱼类快速起动的仿生学研究,建立了仿生机器鱼S形起动的运动方程,对S形起动的鱼体体干曲线波分别进行仿真计算和分析.通过解析鱼体受到的横向摆动流体举力、尾涡反作用力、边界层摩擦阻力和纵向附加质量力,建立快速起动的动力学模型.利用多步态的仿真实验,分析讨论了各起动性能指标的变化情况,并阐明了各运动控制参数对快速起动性能的影响.     

机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究

设计了一种二自由度胸鳍/尾鳍协同推进的仿生机器鳕鱼,其胸鳍推进机构不仅能够单独实现前后拍翼运动、摇翼运动以及两者的复合运动,而且还可与尾鳍实现协同推进,进而分别建立了胸鳍单独推进、胸鳍/尾鳍协同推进时的水动力学模型。数值仿真及实验结果均表明,胸鳍复合运动与尾鳍协同推进时,仿生机器鱼游速最快,可达0.30 m/s,胸鳍摇翼运动推进时游速最低,仅为0.05 m/s,其他推进方式的游速介于二者之间,但均能够实现稳定的游动。与现有结果相比,所设计仿生机器鱼直线游动模态多样,稳定游速可选范围较宽,机动性较好。     

不同来流条件下翼型积冰特性及其气动性能衰退规律数值模拟研究北大核心CSCD

[目的]旨在研究在寒冷环境下空气中大量存在的过冷水滴在船舶动力系统进气道中结冰对进气系统气动性能的影响。[方法]首先,以NACA 0012翼型为研究对象,对该翼型的气动性能进行数值计算,通过与实验值对比,验证所建立的模型和数值模拟方法的有效性;其次,采用拉格朗日法对过冷水滴的撞击特性进行数值模拟研究,采用用户自定义函数(UDF)对商业软件Fluent进行二次开发,对不同来流条件下该翼型的水收集系数进行数值模拟分析;最后,结合动网格技术和UDF自编程序对该翼型的结冰特性进行单向耦合的数值模拟研究,并分析结冰后的翼型气动性能。[结果]结果表明,来流攻角和水滴直径对水滴的撞击范围和及收集系数有较大影响,来流速度对水滴的撞击范围影响较小,但对水收集系数有一定影响。此外,在0°攻角条件下,翼型前缘积冰对其气动性能影响较小,但是,在5°攻角条件下,前缘积冰对其气动性能有严重影响。[结论]研究结果可为船舶动力系统进气道结冰预测分析以及后续防冰工作提供参考。     

基于软体驱动的蝠鲼扑翼运动数值模拟分析

介绍一种以蝠鲼为原型,采用软体驱动的水下扑翼结构机器鱼,在该机器鱼上布置多个驱动单元,实现灵活的仿生运动。对软体驱动器不同结构参数进行仿真对比,得出最优结构并获得运动学模型;结合动网格技术,在仿真环境下获得翼型在二维平面内大变形运动的升力特性,并分析不同驱动器在驱动频率影响下的运动特性。仿真计算结果表明：采用半圆形截面、径厚比为0.8～1.4的驱动器结构可在较低的气压下产生大范围的弯曲运动,且具有较小的径向膨胀变形,基本上不影响运动结构的水动力特性;通过调整不同位置驱动器的充气间隔频率,可使胸鳍前后缘结构具有不同的偏转角度,从而获得较好的升力特性,对应0.5 Hz下的胸鳍结构在不同工况下具有较好的升力表现;调整驱动频率对应扑翼运动频率,使胸鳍产生周期性的推力变化,伴随驱动频率提高,幅值变化增大。     

基于软体驱动的蝠鲼扑翼运动数值模拟分析

介绍一种以蝠鲼为原型,采用软体驱动的水下扑翼结构机器鱼,在该机器鱼上布置多个驱动单元,实现灵活的仿生运动。对软体驱动器不同结构参数进行仿真对比,得出最优结构并获得运动学模型;结合动网格技术,在仿真环境下获得翼型在二维平面内大变形运动的升力特性,并分析不同驱动器在驱动频率影响下的运动特性。仿真计算结果表明：采用半圆形截面、径厚比为0.8～1.4的驱动器结构可在较低的气压下产生大范围的弯曲运动,且具有较小的径向膨胀变形,基本上不影响运动结构的水动力特性;通过调整不同位置驱动器的充气间隔频率,可使胸鳍前后缘结构具有不同的偏转角度,从而获得较好的升力特性,对应0.5 Hz下的胸鳍结构在不同工况下具有较好的升力表现;调整驱动频率对应扑翼运动频率,使胸鳍产生周期性的推力变化,伴随驱动频率提高,幅值变化增大。