一种仿生鱼体自主游动的水动力学特性分析

针对金枪鱼结构和自主游动现象建立了仿生鱼体几何模型及鱼体摆动计算模型,采用计算流体动力学Fluent软件结合动网格技术,编写了控制鱼体摆动的UDF程序,对仿生鱼慢速自主巡游状态和C形快速起动状态进行了数值模拟,研究了鱼体摆动频率和摆动方式对仿生鱼周围压力、速度、涡量分布以及鱼体受力状态的影响,揭示了仿生鱼自主游动过程的水动力学特性。研究结果表明:在自主巡游阶段,仿生鱼通过摆动鱼体,在鱼体两侧流场产生高压和低压区,依靠流体的正压梯度获得前进的推动力;在C形快速起动阶段,仿生鱼通过快速大幅度的回摆获得加速度,从而实现快速起动。鱼体自主游动水动力学特性的研究将为仿生水下推进器的概念设计和性能优化提供重要的参考。     

基于CEL法的柔性仿生机器鱼模型及巡游速度研究

为了研究柔性仿生机器鱼的设计参数(鱼体刚度、鱼体摆动频率、鱼体摆动幅值)对巡游速度的影响规律,并据此得出仿生机器鱼在达到较优巡游速度时的参数组合,文中首先根据耦合欧拉-拉格朗日(简称CEL)法的基本原理建立了柔性仿生机器鱼自主游动的流固耦合模型,然后通过正交试验得到不同组合的设计参数,并通过数值仿真模拟在不同参数组合下仿生机器鱼的巡游表现,最后根据仿真数据统计出各项设计参数对仿生机器鱼巡游速度的影响,并据此得到较优的参数组合。结果表明:CEL法能够考虑柔性仿生机器鱼在游动过程中的柔性变形,因而能够更加真实地反映实际情况中柔性仿生机器鱼的游动行为;在样本范围内,柔性仿生机器鱼模型的巡游速度随着鱼体刚度和鱼体摆动幅值的增加而呈现先增后减的趋势,随着鱼体摆动频率的增加呈现增加的趋势;在鱼体刚度(弹性模量)为30 MPa、鱼体摆动幅值为0.13倍体长、鱼体摆动频率为5.16 Hz时,柔性仿生机器鱼的巡游速度达到较高的水平。     

仿鱼推进的实验研究

模仿金枪鱼的摆尾推进方式,制作了单尾仿生机器鱼.实验测量了机器鱼的航行速度、阻力和系泊状态时尾鳍摆动产生的推力.针对单尾鳍摆动存在的机器鱼的摇艏问题,进一步设计出双尾鳍仿鱼推进器,并将其应用于小水线面双体船,制作了仿生双尾推进的实验平台.在水池中进行了实验研究,结果表明:仿生双尾推进不仅解决了单尾机器鱼游动时的鱼体晃动问题,而且还具有优良的推进效率和操纵性能.作为一种新型的仿生推进器,仿生双尾推进具有广阔的工程应用前景.     

仿生鱼自主游动的水动力学模拟及其影响因素分析

文中针对金枪鱼的结构和自主游动行为建立了鱼体的简化模型和鱼体摆动的计算模型,采用CFD软件并结合动网格技术开发了控制鱼体摆动的UDF程序,对鱼类自主游动行为进行了仿真模拟,研究了鱼类自主游动的机理、水流速度以及粘性对鱼游动行为的影响。通过模拟计算发现,水流速度对于鱼的游动有比较大的影响,而粘性对鱼的自主游动影响不是特别明显。研究结果可为仿生水下推进器的概念设计和性能优化提供重要的参考。     

无缆微型仿鱼泳动机器人的设计与运动分析

根据鱼类的游动推进原理,提出一种基于螺线管线圈结构的外磁场驱动微型仿鱼机器人的设计方案,构建了其实验控制系统,分析了机器人在液体中的推进力和动力学模型,以及尾鳍对其推进性能的影响。实验结果表明,不同的尾鳍摆动频率和尾鳍长度对推进速度有很大影响,其运动速度随驱动频率的增大而逐步增大,但当驱动频率大于7 Hz时运动速度减慢。实验结果与理论分析相一致。     

仿生机器鱼巡游性能分析与实验

以鱼体运动行波方程为动力学基础,参照鱼体尾部运动函数方程设计了"BLRF--I"系列仿鲹科机器鱼.在该系列机器鱼中,采用模块化设计结构,可以方便地更改尾部驱动舵机的数量,形成仅有驱动舵机数量不同、其他机制完全相同的单关节、两关节和三关节仿生机器鱼.对"BLRF--I"系列机器鱼的巡游速度与最小转弯半径进行实验分析.结果表明,"BLRF--I"系列机器鱼尾部驱动舵机数量的增加可以有效地提高巡游速度,最小转弯半径在舵机数量为2时达到最小.进而论证了仿生机器鱼关节数目对机器鱼游动性能的影响,并提出了仿生机器鱼关节数目和巡游速度的关系方程.     

柔性机器鱼的动力学建模及其游动性能分析

生物学研究表明,当鱼类尾鳍的摆动频率与其固有频率接近时,可获得快速高效的游动性能,而固有频率又与鱼体本身的粘弹性机械特性、水动力学特性等因素存在着复杂的关系。根据Lighthill细长体理论,本文通过建立柔性机器鱼的动力学模型,求解其在流体环境中的固有频率,并结合鳕鱼(Saithe)的生物学数据,进一步分析了在‘共振’状态下机器鱼动力学参数与其游动性能间的关系。结果表明,机器鱼的共振频率是由鱼体本身和周围流体来共同决定的,鱼体摆动长度越长,截面尺寸越小,对应的共振频率越小。同时发现当鱼体波波速或滑移率不变时,鱼体游动速度与其共振频率成正比。上述结论均与现有生物学数据相吻合。总体上,该研究从柔性机器鱼的动力学出发,初步探索了鱼体的动力学参数与其游动性能之间的关系。     

线驱动仿海豹尾部推进机构设计与运动学分析

仿生推进由于具有速度快、效率高、机动性好、噪声污染低等优势,在水下机器人领域备受青睐.基于对海豹尾部生物结构及运动特征的研究,提出并设计了一种基于线驱动原理并结合柔性铰链机构的仿海豹尾部摆动推进机构.该机构包括脊椎框架单元、骨盆单元、胫骨单元以及柔性尾鳍单元,其关节采用柔性铰链,并通过两侧弹性元件的对称布置,可实现由单一舵机驱动仿生推进机构实现周期性摆动动作.采用D-H参数法对推进机构进行运动学分析,确定了推进机构尾鳍末端点在世界坐标系中的坐标,研究了仿生推进机构等效连杆摆角参数(摆动角、摆动幅值、初始角)对推进机构摆动幅值的影响规律.根据运动学分析结果,采用序列二次规划法对设计的仿生推进机构等效连杆摆角参数进行了优化,获得了与海豹尾部摆动幅值一致的最佳运动参数;在与海豹相同的游动速度下,推进机构尾鳍末端点的摆动轨迹与生物海豹的摆动轨迹基本吻合,验证了优化分析的正确性.在空气中进行原理样机摆动实验,通过摄像机连续拍摄的运动序列图,获得了实验样机尾鳍的摆动轨迹拟合曲线,与优化后的理论曲线对比,进一步验证了仿海豹尾部推进机构设计与分析的正确性.     

一种新型微型仿生机器鱼控制系统的设计

针对ICPF（ionic conducting polymer film）驱动的微型智能仿生机器鱼进行研究.以鱼类为仿生对象,通过对鱼类游动机理的仿生学研究,设计了鱼形结构的主体框架、两自由度的胸鳍和尾鳍推进机构及基于AVR单片机的机器鱼硬件控制系统.针对微型仿生鱼运动特点,设计了直线巡游和转弯运动等运动模式及自动避障功能.最后建立了仿生机器鱼实验系统,进行了仿生机器鱼驱动性能测试和推进实验,实现了仿生机器鱼的避障功能,验证了系统设计的可行性.     

仿鱼推进器的水动力性能研究

结合仿鱼推进双体船的实验模型,在解决了单体单尾机器鱼运动时摇艏问题的基础上,建立仿鱼推进器尾鳍运动的数值计算模型,用面元法计算尾柄与尾鳍以不同相位角摆动时尾鳍的平均推力性能和平均推进效率曲线,计算尾柄与尾鳍同相位摆动时尾鳍摆动频率与摆动过程中最大推力的关系曲线,从计算结果可以看出,对于双体双尾仿鱼推进器在设计中尾柄和尾鳍可以刚性联接,并适当增加尾鳍的摆动频率可以极大地提高尾鳍摆动过程中产生的最大推力,提高仿鱼推进器的推进功率.     

鱼形仿生柔性翼结构设计及优化

以锦鲤为生物原型,开展了鱼形仿生柔性翼结构设计及优化研究。通过循环水池实验,表征出锦鲤游动姿态;基于折纸结构,建立鱼形仿生柔性翼结构模型,研究其驱动载荷和振动幅值的特性。设计正交试验,分析鱼形仿生柔性翼结构设计的主要几何参数对其性能的影响规律,并通过周期性运动对其性能进一步分析。结果表明：结构外板厚度、结构内板厚度和隔板角度对驱动载荷和振动幅值的影响依次增大。仿生柔性翼外/内板厚度、隔板角度依次为0.7mm/0.3mm、75°,其摆动姿态和实际锦鲤摆动姿态的最大偏差是8.13%。且该结构的极限屈服幅度远大于试验的最大屈服幅度,回弹性能好。     

波动薄板游动的展向变形作用和壁面效应

采用非定常势流理论对鱼类的尾鳍摆动推进功能进行了一系列的分析。着重考察了尾鳍展向变形对中等以上展弦比的尾鳍作纵向波动时的推进性能的影响,以及底栖鱼类近底游动时的壁面效应。     

一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼

提出了一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼设计方案,着重解决了机器鱼摆动式推进的问题.在该方案中,应用曲柄摇杆原理,采用了特殊的四连杆摆动机构,结合柔性尾部实现了机器鱼的摆动式推进;巧妙应用了霍尔位置传感器,检测摆杆临界位置,实现了鱼尾位置判断,进而控制鱼尾来转向;研制了以气缸为压缩泵的气路沉浮机构作为"鱼鳔",能使机器鱼进行沉浮动作.实验显示这种机器鱼达到了预期的功能,在水下作业、军事侦察、娱乐等领域有一定的研究应用价值.     

恒定有压扩散流的大涡模拟

采用大涡模拟（LES）方法对恒定有压扩散流进行了数值模拟，对大尺度漩涡直接求解Navier-Stokes方程，小尺度漩涡采用标准Smagorinsky亚格子模型模拟．针对不同雷诺数下扩散段内的水流进行数值模拟，得到了各雷诺数流动时的时均速度场，分析了不同流态下扩散段内恒定有压扩散流时均流动特性．通过对不同流态下扩散段内连续瞬态流场的分析，探讨了不同雷诺数流动时扩散段内瞬态流场结构特点以及分离区内漩涡的变化规律，指出在恒定流状态下扩散段内存在流动的局部不稳态现象（主流的非周期性摆动），并对此现象进行分析．计算结果和试验结果吻合较好．     

Mechanical design and implementation of a new biomimetic robot fish

A mechanical design method of robot fish is introduced in this paper.Based on this method an antonomous 3-Dimension(3D)locomotion robot fish with two pectoral fins and a caudal fin is developed.The pectoral fin mechanism has 3 degrees of freedom(3-DOFs),which enables the robot fish to realize yawing and pitching motions by controlling two pectoral fins.And the caudal fin mechanism is designed based on fish body wave curve fitting.The forward velocity can be adjusted by changing the caudal mechanism's oscillating frequency.Finally a physical implementation of the robot fish and experimental results are given.     

液气射流泵内部流场的数值计算

通过闪频仪观测,泵内部流动可分为分层流、液滴流和泡状流.为了简化模拟和计算,将计算区域分为部分喉管和扩散管两块.对液气射流泵喉管内部射流流动,建立抛物型流动方程组,采用控制容积法将方程组离散,并用TDMA法求解;对扩散管内部泡状流,采用双流体模型建立液气两相流方程组,混合有限分析法离散,压力耦合半隐式方法(SIMPLE)求解.数值模拟获得液气射流泵内部流速分布.计算预测的射流碎裂位置与试验观测结果一致;壁面压力分布计算值与试验值吻合较好,趋势相近.计算结果能够较好地反映液气射流泵外部水力性能,为液气射流泵的优化设计与运行提供参考.     

泳动式微型管道机器人的设计及运动分析

以NdFeB磁铁为驱动器设计了仿生游动微型机器人.其作业原理是通过改变时变振荡磁场的驱动频率,控制嵌入机器人头部NdFeB的运动,时变振荡磁场能转换成机器人头部摆动的机械能带动铜薄膜尾翼产生波动,进而与液体耦合产生推力控制机器人运动.最后分析了尾翼的频率方程和振型函数新的解析表达式.     

Multimodal swimming control of a robotic fish with pectoral fins using a CPG network

The neural-based approaches inspired by biological neural mechanisms of locomotion are becoming increasingly popular in robot control.This paper investigates a systematic method to formulate a Central Pattern Generator(CPG) based control model for mul-timodal swimming of a multi-articulated robotic fish with flexible pectoral fins.A CPG network is created to yield diverse swim-ming in three dimensions by coupling a set of nonlinear neural oscillators using nearest-neighbor interactions.In particular,a sensitivity analysis of characteristic parameters and a stability proof of the CPG network are given.Through the coordinated con-trol of the joint CPG,caudal fin CPG,and pectoral fin CPG,a diversity of swimming modes are defined and successfully imple-mented.The latest results obtained demonstrate the effectiveness of the proposed method.It is also confirmed that the CPG-based swimming control exhibits better dynamic invariability in preserving rhythm than the conventional body wave method.     

圆柱表面电渗驱动液体薄膜流动特性

以Debye-H¨uckel假设近似下线性化的Possion-Boltzmann方程和黏性不可压缩流体运动的Navier-Stokes方程为基础, 采用漏电介质模型, 分别研究了直流(direct current, DC)稳恒电场和交流(alternating current, AC)周期电场驱动下柱体表面电渗驱动液体薄膜问题, 得到了流场的电位势、速度分布的精确解. 结果表明, 定常解的流速与电位势仅相差一个常数, 而自由面上流速只与自由面电位势和圆柱固壁电位势的比值α有关. 周期电场下的流速振幅、流场中与固壁双电层中的流速相位差, 均与雷诺数有密切的关系: 当雷诺数较小时, 周期电场下流速振幅与定常解相近; 随着雷诺数的增大, 固壁附近流速振幅减小, 相位差增大. 当α较小时, 自由面上流速振幅随着雷诺数的增大而减小; 当α较大时, 流速振幅随着雷诺数的增大而增大.