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。     

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.     

仿生鲔科机器鱼的多机体协同推进效率优化

推进效率是水下潜器装备运行的核心问题,对机器装备的现实应用具有至关重要的影响.针对仿鲔科鱼类研制的机器鱼,根据鲔科鱼类波状运动特征,将机器鱼体离散为由鱼体、尾鳍、胸鳍等部分组成的多刚体系统,结合鱼体所受外力载荷,运用牛顿欧拉法建立了机器鱼动力学模型.基于该动力学模型,开展了以提高机器鱼的推进效率为目标的鱼体运动参数优化设计,以机器鱼的巡游效率为目标、以鱼体各机体的运动参数为优化设计变量、选用遗传算法为优化算法,进行参数匹配优化;通过优化实现了机器鱼尾鳍、鱼体及胸鳍的多机体协同,提高了机器鱼的推进效率.针对优化匹配设计结果,进一步开展了机器鱼的运动学数值模拟仿真,结果表明机器鱼的巡游速度在数值上为鱼体长度的1. 415倍时,机器鱼的推进效率最高,其值达到最大值49. 9%.     

一种多关节推进双体仿生机器鱼研究

针对单尾仿生机器鱼产生艏向摆动而使尾部推进效率大大降低的问题,提出全新的双体仿生机器鱼结构.运动过程中,机器鱼两条尾部所产生的大小相等、方向相反的横向作用力相互平衡,确保了机器鱼身体始终处于横向受力平衡的状态,从而在结构上解决了仿生机器鱼艏摇问题.运用Pro/Mechanism模块对所设计的双体仿生机器鱼进行尾部受力分析和动力学仿真,仿真和试验结果表明双体仿生机器鱼质心沿直线轨迹运动,验证了双体仿生机器鱼推进的高效性和可行性,双体仿生机器鱼的设计思想为解决机器鱼艏向摆动问题提供了新思路.     

用于煤矿井下透水事故探测机器鱼的研究

为探测煤矿井下透水时被困人员的位置和井下环境信息,便于井下透水事故被困人员的营救,该文研究了电磁舵机驱动的机器鱼。根据仿生学原理设计了机器鱼的形体参数;通过对机器鱼在水下的受力分析,确定了电磁舵机的扭矩,并在此基础上选定了电磁舵机的参数;设计了机器鱼实现直线巡游和转弯的控制系统;最后通过实验验证了电磁舵机驱动机器鱼游动的可行性。     

基于锦鲤BCF摆动推进特性分析

以锦鲤为仿生对象,研究躯干和尾鳍的摆动推进特性。根据鱼体形态特征建立仿生鱼几何模型,并根据鱼体躯干和尾鳍的摆动姿态,分别建立不同的运动学模型,进而采用动网格技术并编写控制鱼体的UDF程序,对仿生鱼在被两种控制方程的驱动下的运动状态进行数值模拟,研究不同的运动频率、摆动幅度、来流速度对仿生鱼游动速度、加速度、位移及其压力分布的影响,揭示两种控制方程下仿生鱼摆动的推进性能特性。结果表明：在两种控制方程的驱动下,无论运动频率怎样变化,仿生鱼达到稳定状态时间相同,相同周期内游动距离相近;当摆动幅度为30°时,仿生鱼达到稳态时间最短,且波动相对较小,是最佳幅度;来流速度低于0.1时,可以在流场中稳定游动。且该模型在稳定游动状态下,高压低压分布在尾鳍两端,推动鱼体前进,与实际相符合。     

仿生机器鱼水动力学与机构动力学耦合建模研究

针对多关节仿生机器鱼自主游动过程的复杂动力学建模问题,利用中枢模式发生器产生机器鱼的关节驱动信号,采用细长体理论和Newton-Euler法建立了机器鱼水动力学和机构动力学耦合模型。将机器鱼物理模型的尾部关节角摆动规律作为动力学模型的运动输入,对比了数值仿真结果与物理模型实验结果,验证了耦合动力学模型的准确性。分析了机器鱼尾部关节间相位差、摆动角频率和摆动幅值对机器鱼游动性能的影响。结果表明：摆动角频率和最大摆动幅度在一定范围内与平均游速近似成正比,与头部稳定性成反比;相较于平均游速,头部稳定性对关节间相位差的变化更加敏感,较大的尾部关节间相位差能够获得更好的游动稳定性。相关结论可为进一步研究仿生机器鱼复杂轨迹跟踪问题提供前提和理论基础。     

仿生机器鱼的尾部运动分析与控制

提出了一种自主避障的仿生机器鱼,给出仿生机器鱼的整体结构设计和尾部结构设计,并对仿生鱼的内部连接进行了描述.在仿生机器鱼的结构设计的基础上对仿生机器鱼的尾部运动进行了详细的分析.分析了仿生机器鱼在避障时尾部摆动与障碍物之间的关系.制定了鱼尾在避障过程中的摆动规则,从而使仿生鱼在避障时尾部不与障碍物有碰撞.通过仿真实验验证了其有效性.     

仿生扑翼型机器鱼驱动机构的设计

基于仿生学原理,模仿鸟类和昆虫飞行的翼和鱼的新月型尾鳍的推进机理,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料实现该机器鱼的水下复合推进,采用曲柄摇杆机构实现该机器鱼扑翼运动,具有运动形式简单、效率高、重量轻的特点;模仿鳢科加新月形尾鳍推进模式,使机器鱼的尾鳍简化为刚性的水翼,该水翼可做平动与绕自身轴摆动的复合运动;使用弹簧作为连接尾鳍与舵机的力传输元件,有效降低运动的能量损耗;在机器鱼尾部使用沉浮舵,由舵机旋转驱动拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉。     

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。     

多轴机电复合分布式驱动车辆转向半径模式控制策略

基于对多轴轮式车辆的最小转向半径战技指标的要求,提出了一种适用于多轴机电复合分布式驱动车辆的最小转向半径控制系统,并详细介绍了该模式下的整车控制策略,当车辆以大前轮转角低速转向时,后两桥驱动电机产生“外正内负”的力矩辅助车辆转向从而减小最小转向半径.为验证系统性能,文中建立了包含车体纵向速度、侧向速度、横摆角速度及8个车轮旋转的11自由度整车动力学模型,并采用Gim轮胎模型表达了轮胎的非线性力学特性.虚拟样机仿真的结果表明,在该控制策略下,车辆的最小转向半径可减小10.31%,转向机动性能得到大幅度提高.      

三关节机器鱼的尾部动力学建模与仿真

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.以三关节机器鱼为研究对象,建立了尾部动力学模型,并进行了仿真,由该模型出发对机器鱼的动力学进行了研究,分析了机器鱼速度与频率等的关系.该方法实现的运动仿真与真实的鱼的运动基本一致,速度随着摆动频率的降低而减小,随着相位差的减小而增加,摆幅对速度的影响很大.     

管道形轮腿式月球探测机器人的运动学建模

针对月球的微重力特性、地形的不连续性、部分驱动轮打滑、部分车轮短时间离开地面甚至机器人发生侧翻的复杂情况，用移动机器人在不同时刻不同斜面上的运动学模型组成机器人在崎岖不平地面上行驶的复合运动学模型的方法(TPCM)，为管道形轮腿式月球探测机器人(PWLER)建立了正向和逆向运动学模型．运用正向运动学模型，根据PWLER各驱动轮的转速可估算出机器人相对于绝对坐标系的位置和姿态．运用逆向运动学模型，根据PWLER期望的前进速度和转弯半径可确定出各驱动轮的速度．从而为PWLER在三维地形上的自主导航和路径跟踪提供了理论依据。     

右转圆曲线处避险车道流出角度与引道长度

采用UC-win Road 9.0驾驶仿真平台,对设置于右转圆曲线的紧急避险车道的流出角与引道阈值进行研究.选择方向调整时间、最小转向半径、方向盘转角幅值、方向盘转角频率4个指标对16名驾驶员驶入避险车道的数据进行回归分析,确定各指标与圆曲线半径的定量关系模型.随后,通过二阶聚类的方法缩小了流出角度与引道的设置范围.最后,考虑车辆的横向行驶稳定性,确定了避险车道的设置参数.建议将紧急避险车道设置于半径1 000m及以上的主线处,流出角0°~5°,引道6s设计行程.条件困难时,紧急避险车道可设置于半径600~1 000m的曲线处,流出角0°~5°,引道为9s设计行程,流出角5°~10°,引道为12s设计行程.     

山区高速公路螺旋展线隧道内平曲线最小半径

通过对汽车前灯散射角、隧道标准断面以及驾驶人在隧道中驾驶规律的研究,并考虑汽车左转与右转行驶的不同特点,计算出了不同设计速度下满足山区高速公路隧道内螺旋展线停车视距的圆曲线最小半径。结果表明:《公路路线设计规范》规定的圆曲线最小半径不能满足高速公路曲线隧道内停车视距的要求;计算给出的最小半径不仅可以满足高速公路曲线隧道内停车视距的要求,而且可以保证隧道不加宽和超高不过大的要求,保持隧道内轮廓的统一,减少了设计和施工难度。     

机器鱼群体推进速度一致性研究

针对尾鳍推进机器鱼群体速度一致性问题,以动能映射特征方程为基础,提出了基于平行辨识的一致到达方法;并进一步提出了基于动能映射系数整定协议的速度同步方法. 具体实现为:首先为群体内的个体建立一簇运动学特征方程,并采用参数迭代学习辨识及自适应控制策略使机器鱼各自独立推进. 在速度目标相同的条件下,机器鱼群体最终趋近于等速运动;然后,通过建立稳态下的动能映射系数整定协议,由主机器鱼参数值整定群体参数,避免了不同个体测量误差带来的步调变化,实现群体速度的同步和前进姿态稳定. 仿真结果证明,该目标速度一致性实现方法是有效的.      

履带式双人休闲运动车的研制

为满足人们对休闲娱乐器械的更高需求,设计了一种履带式双人休闲运动车。该履带车由左右履带行走机构和驱动机构、制动系统、驾驶舱平衡滚筒等组成。左右履带行走机构为三角形立体设计;驱动机构的脚踏行走机构通过白适应随动变距传动机构带动左右履带行走机构行走,可保证在通过不平坦道路及上下坡路时,履带行走机构和驱动机构相对变化时的绝对传动距离不变;驾驶舱平衡滚筒独立悬挂在左右履带行走机构上,在坡度变化时能不断自动调整;两侧独立的制动系统设计,具有辅助转向、刹车的功能,单边使用可实现履带车的360°原地调头。试验结果表明,该履带车整车重量89．7kg,最大载重量120kg,最小转弯半径（360°原地调头）1200mm,最高骑行速度7km／h,最大爬坡角度20°,最大越障宽度400mm。     

基于驾驶模拟的紧急避险车道断面宽度设置

在紧急避险车道断面宽度为4.5,7.7,9.0和12.2m条件下,利用UCWin Road Ver.9驾驶模拟仿真平台测试了5名驾驶员48次驶入紧急避险车道的几何运动参数.选取方向盘转速、方向盘转角、横向偏移率指标分别对车辆驶入紧急避险车道的最小转向半径、方向调整时间、转向角幅值、转向角频率和起弯点指标进行提取,采用多因素方差分析,检验断面宽度、驶入速度、断面宽度与驶入速度的交互作用对5个指标影响的显著性,通过多重分析检验不同断面宽度下各指标差异的显著性.研究结果表明:断面宽度4.5m时最小转向半径、转向角频率、转向角幅值与其他3组存在显著性差异,失控车速90km·h~(-1)时车辆即面临侧滑风险,车辆驶入紧急避险车道的难度大,驾驶员心理紧张程度高.仅断面宽度12.2m时起弯点位于渐变点之后,其起弯点与渐变段起点的差值与其他3组存在显著性差异.断面宽度对方向调整时间影响显著且不同断面间的方向调整时间存在显著差异,方向调整时间与断面宽度呈幂函数关系.综合分析,紧急避险车道的设置宽度不宜低于7.7m.     

互通立交匝道平曲线内侧停车视距检验与改善

在互通立交匝道平曲线内侧设置护栏,减小了匝道视距横净距,导致运行车辆停车视距不够,威胁行车安全,应将护栏视为视线遮挡物,并进行运行车辆的停车视距检验。可通过匝道视距横净距的计算方法,由已知的横净距,计算出汽车行驶轨迹半径;根据匝道设计速度、实际横净距、停车视距等,计算出匝道在不同设计速度条件下满足视距要求的临界圆曲线半径,并按一般地区对应的停车视距计算确定匝道横净距。已建成的互通立交,若匝道平曲线半径未达到临界值要求,应采取加宽硬路肩、外移护栏等视距改善措施,加宽横净距,或将行驶速度按低一级的设计速度进行合理限制,以提高行车安全性。     

仿生学习的机器鱼运动模式分析

运动行为建模是机器鱼研究领域的重点和难点,研究将一种新颖的仿生学习方法应用到多关节机器鱼运动模式学习和生成上。首先,通过视频采集设备对鲤鱼的运动行为进行记录,并对记录的视频数据作离散化处理后进行分析,提取得到了鲤鱼的3个基本运动模式:"巡游"、"游动转弯"和"C形急转"。然后采用通用内部模型(general internal model,GIM)对鲤鱼的运动模式进行学习,利用其函数逼近能力和在时间、空间上的可伸缩性,机器鱼可以学习、修正和再现真鱼的运动模式。最后结合红外传感器及避障算法实现了机器鱼的自主避障行为,从而证实了该方法的有效性。