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。     

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。     

Travel at low energetic cost by swimming and wave-riding bottlenose dolphins.

Over the past 50 years there has been much speculation about the energetic cost of swimming and wave-riding by dolphins. When aligned properly in front of the bow of moving ships in the stern wake of small boats, on wind waves, and even in the wake of larger cetaceans, the animals appear to move effortlessly through the water without the benefit of propulsive strokes by the flukes. Theoretically, body streamlining as well as other anatomical and behavioural adaptations contribute to low transport costs in these animals. The economy of movement permitted by wave-riding has been perceived as an energetic advantage for the swimming dolphin, but has been hard to prove in the absence of physiological data for exercising cetaceans. Here we determine the aerobic and anaerobic costs of swimming and wave-riding in bottlenose dolphins and find that the minimum cost of transport for swimming dolphins is 1.29 +/- 0.05 J kg-1 m-1 at a cruising speed of 2.1 m s-1. Aerobic costs are nearly twice as high for swimming seals and sea lions, and 8-12 times higher for human swimmers. Wave-riding by dolphins provides additional benefits in terms of speed. The results indicate that behavioural, physiological and morphological factors make swimming an economical form of high-speed travel for dolphins.     

运动锻炼对鲤鱼幼鱼游泳能力及代谢的影响 (动物科学)

以鲤鱼(Cyprinus carpio)幼鱼为研究对象,在25℃条件下将90尾体重为(8.12±1.30)g的实验鱼平均分成0 h锻炼组(对照组)、6 h锻炼组和12 h锻炼组,以60%临界游泳速度(Ucrit)持续运动锻炼15 d,每天锻炼时间分别为0、6和12 h;随后对实验鱼进行Ucrit、耗氧率(MO2)和快速启动(Fast-start)的测定。结果显示,经过运动锻炼鲤鱼幼鱼的Ucrit和Fast-start与对照组相比,均没有显著提高,但6 h锻炼组的实验鱼在30和36 cm.s-1的流速下MO2显著降低,而12 h运动锻炼组的MO2始终处于较高水平。研究认为可能是由于在低于Ucrit流速下的适度的运动锻炼可能会提高鱼类在该流速下的能量利用效率,而高强度的锻炼则会使它们的基础代谢处于较高水平。     

Flying and swimming animals cruise at a Strouhal number tuned for high power efficiency

Dimensionless numbers are important in biomechanics because their constancy can imply dynamic similarity between systems, despite possible differences in medium or scale. A dimensionless parameter that describes the tail or wing kinematics of swimming and flying animals is the Strouhal number, St = fA/U, which divides stroke frequency (f) and amplitude (A) by forward speed (U). St is known to govern a well-defined series of vortex growth and shedding regimes for airfoils undergoing pitching and heaving motions. Propulsive efficiency is high over a narrow range of St and usually peaks within the interval 0.2 < St < 0.4 (refs 3-8). Because natural selection is likely to tune animals for high propulsive efficiency, we expect it to constrain the range of St that animals use. This seems to be true for dolphins, sharks and bony fish, which swim at 0.2 < St < 0.4. Here we show that birds, bats and insects also converge on the same narrow range of St, but only when cruising. Tuning cruise kinematics to optimize St therefore seems to be a general principle of oscillatory lift-based propulsion.     

Scaling effects in caudal fin propulsion and the speed of ichthyosaurs.

Four unrelated groups of large cruising vertebrates (tunas, whales, lamnid sharks and parvipelvian ichthyosaurs) evolved tuna-shaped (thunniform) body plans. Stringent physical constraints, imposed by the surrounding fluids, are probably responsible for this example of evolutionary convergence. Here I present a mathematical model of swimming kinematics and fluid mechanics that specifies and quantifies such constraints, and test the model with empirical data. The test shows quantitatively that morphology, kinematics, and physiology indeed covary tightly in large cruisers. The model enables calculations of optimal cruising speed from external measurements, and also predicts that wide caudal fin spans, typical of thunniform swimmers, are necessary for large cruisers. This finding is contrary to a popular yet rather teleological view that thunniform tails were selected for their high aspect ratios that increased propulsive efficiency. I also show by calculation that Stenopterygius, a Jurassic ichthyosaur, probably had optimal cruising speeds and basal metabolic rates similar to living tunas.     

测量游泳动态阻力的附加阻力微扰动法

为使运动员在训练和比赛中有良好技术表现,对游泳推进力和动态阻力的测量进行了研究。提出了一种利用微小附加阻力的方法,用于在泳池中测量游泳运动员游进时的动态阻力。实验中测量运动员在附加小阻力前后的游进速度,并记录附加阻力值,代入到在推进力不变假设条件下导出的阻力计算公式,即可得到动态阻力值。应用设计的装置实测了一些运动员在自由泳和蛙泳时的动态阻力和阻力系数。结果表明,不同泳姿下水对人体的阻碍作用不同,阻力系数可作为泳姿的评价参数。该结果可为指导训练和分析运动员技术动作提供参考。     

基于物理与生物学机理的人工鱼行为模拟

针对人工鱼行为模拟中,对象与行为建模过程及动画实现工作量巨大,而且对硬件资源要求非常严格的问题,本文提出一种简化的基于物理与生物学原理相结合的对象建模方法,并运用到鱼群运动的模拟之中．在该模拟中,人工鱼群的每一个体被定义为一个自主智能体,在个体生物感知模型和群体行为运动的物理机制约束下,采用运动学原理和渐变动画技术,较好地解决了人工鱼集群运动中个体与整体之间的运动协调性问题,在普通PC机上实现了三维鱼群游动的计算机模拟,达到了较好的模拟效果．     

松花江流域典型鱼类的游泳能力比较实验研究

利用自制的鱼类游泳实验装置,采用递增流速法,研究了松花江流域的长春鳊(Parabramis pekinensis)、怀头鲇(Silurus soldatovi)、翘嘴鲌(Erythroculter ilishaeformis)3种鱼类的游泳能力.结果表明:3种鱼类的临界游速和突进游速大小排序均为翘嘴鲌长春鳊怀头鲇,3种鱼类的临界游速随体长的增大而增加,而相对临界游速随体长的增大而减小;3种鱼类的突进游速随体长的增加而呈近似线性递增趋势,而相对突进游速随体长的增大而减小.研究成果为鱼类游泳能力的研究提供了基础资料,同时为过鱼设施的设计提供参考,对鱼类的保护具有指导意义.     

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.      

基于深度强化学习与流固耦合技术的鱼类自主游动行为模拟

鱼类自主游动的模拟问题一直是仿生学、鱼类行为学以及生态水力学等诸多学科共同关注的重要难题。建立一种基于流固耦合数值模拟技术与深度强化学习算法的智慧鱼体自主行为决策平台,可以实现鱼体在不同周围环境条件下以最优决策方案完成游泳任务。该平台采用深度强化学习算法实现鱼脑功能,模拟其不断学习和最终决策;通过浸没边界-Lattice Boltzmann方法对流场及鱼体运动进行实时模拟,可为鱼体提供丰富的训练样本并执行鱼脑决策。基于该平台对鱼类典型捕食运动以及卡门游动进行训练并分析其训练效果。仿真结果表明：在捕食游动问题中,具有不同初始位置偏角的鱼体均能以最优轨迹到达目标点;在卡门游动问题中,鱼体能自主调节尾拍频率,使之接近涡街脱落频率,进而从卡门涡场中吸收能量,以稳定步态在涡街中运动。在鱼类自主游动问题的研究方面,该决策平台较传统物理实验具有更强大的复杂流场适应性,并可为水利工程、生态环境工程等领域的数字孪生提供技术支持。     

机器海豚尾鳍运动模型的建立及仿真

以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰--沉浮运动的数学模型,同时建立了描述豚尾各运动参数之间关系的方程,随后运用Matlab的仿真功能再现了海豚在游动过程中尾鳍的运动规律.该模型可用于定性描述运动参数对海豚推进性能的影响,为进一步研究豚尾动力学提供了理论基础,同时也为机器海豚尾鳍的控制设计提供了理论依据.     

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.     

机器海豚的机构设计与运动控制

研制了一种装配有机械鳍肢的新型仿生机器海豚系统。根据海豚典型的背腹式推进的特点,提出一种工程化的推进模型。机器海豚的运动被建模为三节的摆动运动：刚性头部、弹性软体和摆动的尾叶。用一个串联的、多关节的上下摆动机构来实现背腹式运动,用左右摆动的转弯机构和两自由度运动的鳍肢机构来实现机动运动。在此基础上,开发研制了机器海豚样机。实验结果验证了背腹式游动在推进和机动运动中的有效性。     

单体高速船的推进功率计算

为单体高速船在初步设计、方案设计和技术设计阶段提供了基于船体主要参数，船体主尺度和船型系数，以及船体型线的推进功率的计算方法，从而为船舶设计及其型线优化提供了相关的数学模型，对一船型系列试验结果的考核计算表明，不同功率估算方法所计算值的平均值，具有工程预报精度，可用于船舶设计与线型优化。     

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.     

新型仿生介入机器人推进方式

生物管腔中运行的微型机器人驱动机理研究是当前机器人研究的一个热点．为研究适合于充满液体的生物管腔的微型管道介入机器人，基于精子的运动原理，提出一种机器人游动推进方案，建立了游动机器人动力学模型，对该推进方式进行了仿真分析计算．为证明该推进方案的可行性，制作了一个大尺度的机器人实验样机模型．实验表明：实验的结果符合理论的规律，从而证明理论的正确，该推进方式是可行的．     

插秧机偏置椭圆齿轮后插旋转式分插机构优化设计

为了减少水稻秧块横向的挤压和撕扯,提高取秧精度,将农用插秧机偏置椭圆齿轮后插旋转式分插机构简化成椭圆齿轮曲柄连杆滑块机构.对曲柄连杆滑块机构进行运动学分析,建立其速度运算数学模型,并针对简化模型进行优化设计.实验证明,简化模型为农用插秧机提供了一种优化设计方法.