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。     

胸鳍/尾鳍协同推进的机器海豚动力学建模与仿真

动力学模型是机器海豚研究的一个重点和难点.基于胸鳍/尾鳍协同推进模式,采用"叶片单元法"建立2自由度胸鳍动力学模型,根据伯努利原理和大展弦比机翼平衡理论提出尾鳍动力学模型.通过MATLAB进行数值仿真,获取胸鳍、尾鳍的运动规律和不同模式下的游动速度;进一步分析机器海豚的游动模式和运动参数对直游性能的影响,为机器海豚的设计提供理论依据.该研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理,从而提高机器海豚的游动性能.     

仿生机器鱼研究的进展与分析

鱼类所具有的推进效率高、机动性强、环境扰动小等优点引发了国内外学者对仿生机器鱼的研究。底层步态控制方法和闭环运动控制方法是当前机器鱼控制研究的两大热点。按照推进模式的分类方法概述各类机器鱼的样机研制情况以及其性能优劣,介绍机器鱼的推进机理及其水动力学研究进展,进而重点探讨轨迹逼近方法和中枢模式发生器这2种底层步态控制思路,综述机器鱼的典型闭环运动控制方法。中枢模式发生器具有更强的灵活性、稳定性和可操作性,易于引入反馈项而实现闭环控制,在机器鱼底层步态控制中占主导地位。针对机器鱼的显著特点改进后的基于学习的控制方法与多种方法相结合后的混合控制方法具有更为广阔的发展前景,符合仿生机器鱼智能化的发展方向。根据工作条件和运动要求建立合理的步态控制系统以及准确高效的闭环运动控制系统可提高机器鱼的整体性能。

     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

鱼尾鳍数值模拟计算

以GAMBIT、TGRID为网格划分工具,通过FLUENT对鱼尾鳍进行数值模拟计算,并根据计算结果和特性曲线与风洞试验结果进行对比,分析绕鳍翼的水动力特性,分离流动性能。为后续鳍翼翼型开发、优化设计开创一种新的途径。     

潜器动力定位的仿生鱼尾推进控制分析

仿生鱼尾推进器是一种高效率、高机动和低噪声的新型水下推进器。以该新型推进器为研究对象,建立仿生鱼尾动力学模型和以仿鱼尾推进的潜器动力定位模型。利用仿真实验得出的数据分析仿生鱼尾摆动频率以及摆动幅度和各关节之间相位差等因素对仿生鱼尾推进性能的影响,采用PID控制算法对仿鱼尾推进的潜器在一维方向的动力定位进行仿真。仿真结果表明,仿生鱼尾推进在潜器的动力定位中可以实现初步的性能要求。     

桨毂形状对螺旋桨水动力影响仿真

采用全结构化网格对桨毂进行计算流体动力学(CFD)水动力仿真,验证仿真方法的有效性,研究3种典型桨毂形状对螺旋桨敞水特性、截面压力分布和空化的影响。通过对比分析发现:圆弧形桨毂阻力最小,效率最优,桨毂形状主要影响叶根区域的流动;圆柱形桨毂叶根的压力最小,空化面积最大;圆弧形桨毂的抗空化性能最优。     

带缆遥控水下机器人水动力数学模型及其回转运动分析

提出了一种新型的带缆水下机器人系统三维水动力数学模型。在该模型中脐带缆的控制方程由脐带缆任一微段中的力的平衡条件导出,在此基础上以该脐带缆的控制方程为核心,通过引入脐带缆与水下机器人连接点的边界条件而建立起整个系统的三维水动力学数学模型。数值模拟中作用在机器人主体上的水动力载荷和旋转导管螺旋桨的控制力在考虑了它们之间的相互影响基础上以计算流体力学方法求出。该模型的主要特点是克服了现有的带缆水下机器人系统水动力数学模型将系统各组成部分割裂处理、缺乏从系统整体理论框架中去观察脐带缆、水下机器人主体和螺旋桨推进器水动力特征的缺陷,从一种综合、整体的观点去观察分析带缆遥控水下机器人的动力状态。水下机器人在导管螺旋桨作用下回转运动的数值模拟结果表明,利用所建立的数学模型可以对带缆水下机器人水动力状态进行有效的数值模拟。     

应用零航速减摇鳍的海洋机器人近水面时的横摇减摇控制(英文)

A zero-speed fin stabilizer system was developed for rolling control of a marine robot.As a robot steering device near the sea surface with low speed,it will have rolling motion due to disturbance from waves.Based on the working principle of a zero-speed fin stabilizer and a marine robot’s dynamic properties,a roll damping controller was designed with a master-slave structure.It was composed of a sliding mode controller and an output tracking controller that calculates the desired righting moment and drives the zero-speed fin stabilizer.The methods of input-output linearization and model reference were used to realize the tracking control.Simulations were presented to demonstrate the validity of the control law proposed.     

柔性尾鳍仿金枪鱼水下机器人自主游动研究

文章数值模拟了柔性尾鳍的仿金枪鱼水下机器人从静止加速到稳定巡游的自主游动过程,分析了其运动过程中的运动和水动力性能特点及变化,并与刚性尾鳍模型进行了比较.同时详细分析了尾鳍的运动参数如频率,摆动幅度,横移振幅对仿金枪鱼自主游动过程的影响.结果表明,仿金枪鱼在启动加速时效率较低,柔性变形可以较大地提高仿金枪鱼的推进效率;尾鳍的运动参数对自主游动过程有很大的影响:在一定的范围内,增大尾鳍的运动频率、摆动幅度和横移振幅可以提高运动速度、推力和推进效率,但过大的摆幅会降低推进效率.     

Design practice for the stern hull form of a twin-skeg ship

Hydrodynamic standards have been derived for the improvement of propulsive performance of twin-skeg hull forms. Three important physical observations were used in the optimization of design practice for the stern hull form of twin-skeg ships: limiting streamline pattern on the inner and outer skeg surface of a stern skeg, the balance between the flow intensity over the inner and outer skeg surface of a stern skeg and nominal wake distribution in the propeller plane. Numerical calculations and model tests have been compared to validate a CFD code used in the current work. Based on the stern flow analysis for the evaluation of self-propulsion performance, effects of stern skeg arrangement on the propulsion efficiency, i.e. the distance between skegs and the angle of the skeg with respect to shaft centerline, were intensively investigated. An optimized hull form design for a twin-skeg ship was developed using the design practice derived in this work.     

Experimental study of the state-of-the-art offshore system integrating a floating offshore wind turbine with a steel fish farming cage

An innovative offshore system integrating a floating offshore wind turbine with a steel fish farming cage (FOWT-SFFC) has recently been developed by the two leading authors for offshore wind and aquaculture industry. The purpose of this paper is to investigate the dynamic responses of FOWT-SFFC subjected to simultaneous wind and wave actions in the harsh South China Sea environment by a series of model tests. The tests are conducted at the Tsinghua Ocean Engineering Basin with Froude scale of 1:30. In this paper, the similarity law and setup of model tests are given first. Then a series of calibration tests and identification tests are carried out to validate the capacity of wind generator and wave maker, and to identify the vibration frequencies of tower, the stiffness of mooring system, natural periods and system damping, motion response amplitude operators (RAOs) of FOWT-SFFC, and thrust-speed performance of the turbine in wave basin. After that, seakeeping tests are implemented for random waves, followed by a sequence of load cases including normal operating and extreme conditions. Constant wind speeds and random wind speeds are respectively considered in load combinations. The experimental results affirm the excellent seakeeping and dynamic performance of FOWT-SFFC. Existence of metal fish nets increases the damping of foundation's 6 degree-of-freedoms motions. Generally, the influence of nets on the dynamic responses is insignificant in wind sea states.     

全垫升气垫船内部流场的数值模拟与改进

应用计算流体力学(CFD)方法对全垫升气垫船气囊内部的气动特性进行数值模拟计算,获得了气囊内的三维流场分布.其中的关键问题是气囊的排气孔壁面的处理,文中采用了多孔介质模型进行近似,针对气囊前后端压力不平衡的问题,分别采用在进气道内设置导流叶片和在气囊通道中设置隔断两种方法使压力趋于平衡,并通过数值试验找出其最佳位置.此外,文章还对实船相似设计的合理性进行了讨论.