仿生机器鱼设计及应用

目前,水资源勘探领域正处于快速发展阶段,随着水资源开发进程的加快,对水体的探测和分析成为一个制约水资源勘探领域快速发展重要因素。近年来,水下机器人的出现,正成为水资源勘探的重要工具之一。该系统以单片机为核心控制元件,选用有关参数的传感器进行数据采集,同时配备视觉图像传输与处理的功能,可以对水下的情况进行监测,同时对温度等水质参数进行监测,实现了水生物分布状况等情况的监测检查的目的。     

两栖仿生机器鱼Ⅰ的建模及推进机构设计

仿生机器鱼技术为研发高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了一种方法.受两栖动物启发,完成了一种多模态仿生两栖机器鱼I的设计,并成功试制了样机.该两栖机器鱼能巧妙地利用转体机构实现仿鱼和仿海豚游动的结合,实现了二种运动模态的自由切换,其鳍肢/轮桨机构的引入不仅能使机器鱼在地面爬行或仿轮式运动,而且提高了水中运动的机动性.     

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.     

柔性仿生机器鱼的复合推进结构设计

针对目前柔性仿生机器鱼推进结构单一等问题,文章针对性地进行了柔性仿生机器鱼的复合推进结构的设计,主要包括鱼身驱动推进结构、鱼身摆动推进结构、胸鳍扑动结构以及胸鳍浮潜结构,以提高柔性仿生机器鱼的推进效率;以及通过对所设计齿轮的校核,设计一款安全可靠、用于水下监测、环境保护的柔性仿生机器鱼。     

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.     

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。     

基于强化学习的仿生机器鱼节能研究

利用仿生机器鱼平台, 模拟鱼类集群游动过程, 通过实验方法探究机器鱼集群游动时的能量节省问题。具体地, 将两条机器鱼按照一定的前后距离和左右距离固定在低湍流水洞中, 并正对来流方向; 控制前方(领航)机器鱼游动姿态的变化, 使得后方(跟随)机器鱼处在变化的流场环境中。基于强化学习理论, 建立跟随机器鱼在该流场环境下游动所消耗的能量值与其游动姿态之间的映射关系; 利用该映射关系, 获得跟随机器鱼能量消耗最小值对应的游动姿态信息, 并将该信息反馈至机器鱼运动控制器中, 调整机器鱼游动姿态,达到节省机器鱼能量的目标。     

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.     

仿生机器鱼的水下探测和避障控制

文章提出了一种集成多红外测距传感器、GPS定位器、CMOS摄像头的仿生机器鱼,建立了仿生机器鱼传感器网络,设计了机器鱼的机构组成和技术参数,制定了一种仿生机器鱼游动规则库和控制方法,定义了10种机器鱼基本运动形式和几种转弯模式,使其在设定的游动规则中自主游动,主动避障,探测水下情况,实验验证了其有效性。     

翅片管换热器的翅片效率与传热性能

研究了３种不同管排数的百叶窗式翅片管换热器的换热特性，由试验数锯整理出传热系数与流速的关系，以试验数据为依据对翅片表面温度场进行了数值计算，导出百叶窗式翅片的翅片效率计算式并根据估算分离法的原理整理出换热准则方程式，为设计百叶窗式翅片管换热器提供了方便．     

基于FUZZY-PID复合控制的减摇鳍控制系统仿真

设计了基于模糊控制和PID控制理论的FUZZY-PID复合控制减摇鳍控制系统,以横摇角和横摇角速度为输入量,鳍角为输出量,基于Conolly理论建立了船舶模型,利用MATLAB针对不同海情对控制器进行了仿真,结果表明减摇鳍模糊控制器动态响应性能和稳态控制精度均十分理想,能够满足减摇鳍控制系统的控制要求。     

尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响

研究了尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响. 设计了一套摆尾仿生推进装置,实验分析了仿金枪鱼、仿海豚、仿白鲸3种尾鳍的推进性能. 同时采用数值方法对尾鳍的水动力性能进行了计算. 实验和数值结果表明,仿金枪鱼尾鳍的平均推力系数和输入功率系数最小,推进效率最高. 对尾涡的分析表明,仿金枪鱼尾鳍尾涡强度最弱,分布范围最小.     

穿孔型翅片几何结构对换热性能的影响

采用正交试验与数值模拟相结合的方法,针对影响翅片管式制冷换热器翅片表面开孔的3个参数,孔型、开孔几何尺寸及开孔位置,确定了3种优化的穿孔翅片片型.以平翅片作为基础片型,分别将4种翅片用于管式制冷换热器.风洞试验表明,结霜工况下,1.5~5.2m·s-1的试验风速范围内,翅片表面开椭圆孔的翅片管式制冷换热器换热性能最好,其单位面积制冷量、翅片平均表面对流换热系数、压缩机能效比相对平翅片均有明显提高.以风速2.5m·s-1为例,上述各值分别提高了37.8%,79.4%,25.0%.空气流过翅片管式换热器的平均阻力则降低了30.0%.     

基于LabVIEW刀具动态补偿方法

针对刀具补偿在数控加工中的重要作用,着重阐述了常用刀具补偿,并对刀补功能及应用做了进一步论述.同时本文对动态参量的刀具补偿方法进行了研究,设计出基于LabVIEW的计算方法,使数控加工适应性得到增强,提高了机械加工精度.     

内置翅片参数对封闭腔内流体流动与传热性能的影响

为了研究内置翅片参数对封闭腔内湍流自然对流换热的影响,采用RNG k-ε模型数值分析了翅片位置、翅片高度和翅片数量对封闭腔内温度场和流场的综合影响。结果表明：在热壁面上布置1个翅片,热壁面竖向边界层厚度随翅片高度的增大而变厚,但腔体顶部水平边界层结构变化微弱;本文所研究的短翅片高度对热壁面上远离翅片位置处局部传热特性影响很小;在热壁面上距底面2H/6处布置高度为1.5cm的翅片能使得热壁面上平均Nu数获得最大值,在热、冷壁面上距底面及顶面分别为2H/6处各布置1个高度为1.5cm的翅片能达到同样的强化传热效果。但在热、冷壁面上距底面及顶面分别为H/6处各布置1个翅片时,翅片高度过大或过小均会抑制热壁面与腔内气流之间的对流换热过程。本文研究结果对于指导工业工程中封闭空间内流体的冷却或加热具有一定的理论参考价值。     

基于Backstepping与闭环增益成形的减摇鳍控制

为提高减摇鳍控制器的鲁棒性,将Backstepping算法与闭环增益成形算法相结合,设计一种非线性鲁棒控制器.采用Matlab的Simulink工具箱分别对相同海况下未进行减摇控制、在设定航速及航速减半状态时采用减摇鳍控制的非线性数学模型进行仿真.结果表明,该控制策略对于减摇鳍非线性控制系统十分有效,具有较强的鲁棒性.该算法的优点是设计过程简单,物理意义明显.     

板翅式机油冷却器的性能仿真与优化

为研究板翅式机油冷却器各层芯片内机油的流动及换热情况,优化板翅式机油冷却器的芯板层数,基于有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言,编程建立了不同芯片层数的多个油冷器的有限元模型;翅片简化为多孔介质,借助计算流体力学软件Fluent,得到油冷器各层芯片的流场和温度场分布.仿真结果与实验结果吻合良好.油冷器各层芯片流量分配曲线大致呈S形分布,而换热量分配曲线呈浴盆状分布.引入标准偏差判断各油冷器各层流量和换热量的均匀性,随着油冷器芯片层数的增多,各层芯片流量和换热量分配趋于均匀;总体换热性能略有增大,而单层芯片的平均换热量显著减小.根据仿真结果提出优化建议:在设计油冷器时,应避免单层芯片热负荷过高或过低,在机体内部空间允许的条件下应尽量采用较多层芯片.     

流域三维虚拟环境建模方法研究

三维虚拟环境建模是实现流域三维仿真模拟的关键环节,建模方式的合适与否将直接影响仿真模拟的效果.结合都江堰工程区域建模研究了流域虚拟环境重点实体和普通环境实体的建模方法与流程,重点实体建模以基于几何的建模方法为主,采用纹理映射技术和细节层次技术解决模型建模量与渲染量之间的矛盾.普通环境实体建模以基于纹理图像的建模方法为主,结合模型实例化技术解决建模量与内存占用问题.为优化场景建模,提出了模型结构调整的基本原则,讨论了基于外部参考的模型场景存储方式的优缺点.     

开缝翅片压降和换热特性的数值模拟

利用计算流体力学软件STAR—CD研究了开缝翅片管式换热器的换热和压降特性，分析了开缝翅片厚度对换热器压降、换热特性的影响，并用场协同理论分析了计算结果．得出了翅片开缝能起到强化翅片换热的效果且开缝翅片厚度存在最佳值等结论，为优化新型管翅式换热器提供参考．同时，将模拟计算结果与实验结果加以比较．结果表明，数值模拟与实验结果基本吻合．