仿鱼水下推进器的设计

文章根据仿生学原理研制了一平面5关节、具有胸鳍和尾鳍的仿鱼水下推进器。介绍了该仿鱼推进器的推进机理及机械结构、控制电路及程序。通过实验定性分析了胸鳍、尾鳍、鱼身体关节的摆动幅度、频率对该水下推进器的推进速度、上浮下潜力和转弯角度的影响,为研制新型水下推进器提供有意义的探索。

柔性长鳍仿生水下推进器测控系统的设计与实现

针对新型柔性长鳍仿生推进器试验装置的控制节点多、实时性强、传感数据量大的要求,设计并实现了基于CAN总线的多层分布式测控系统;对测控系统的分层结构、硬件构成和软件设计进行了详细分析,上层进行推进器运动参数设定和状态信息采集,中层通过CAN总线对分布在推进器各个仿生关节的一组控制节点进行实时控制,底层每个仿生关节采用伺服电机和单片机构成相互独立的控制节点;该系统已经投入使用,试验过程表明,该系统具有数据采集速率高、控制实时性强、操作简便等特点,完全满足仿生推进器试验装置的测控需求。

一种超小型水下推进器的研究与开发

介绍了国内外水下推进器的基本组成与工作原理,分析了水下推进器的主要关键技术,并针对这些关键技术进行优化设计,开发出一种新型水下推进器。通过样机的试制及试验表明,该型水下推进器性能优越,为进一步开展超小型水下推进器的研究提供了依据。

水下推进器热动力系统启动过程仿真数学模型

以某型鱼雷动力推进系统为对象，在进行了必要的假设前提下，通过分析其工作过程，根据能量守恒、质量守恒以及工程热力学原理，建立了动力系统启动过程数学模型，并采用FORTRAN语言进行程序设计。通过数字仿真，研究了固体药柱燃烧、固液混合燃烧以及液体燃料燃烧过程、燃烧室内压力和温度的瞬时变化及雷机桨匹配关系，同时也分析研究了进主燃料时间以及速制转换、鱼雷初始速度、航行深度等对启动过程的影响。此外，通过与国外资料提供的动力系统启动计算结果进行比较，验证了模型的正确性。

基于滑模观测器位置检测的水下推进器直接转矩控制研究

水下推进器是水下航行器的重要组成部分,为提高其转矩响应性能,提出了一种基于滑模观测器位置检测的水下推进器直接转矩控制方法。该方法将一种双曲正切函数引入线反电动势(EMF)滑模观测器,并将该滑模观测器应用于水下推进器直接转矩控制系统中,使得驱动控制系统通过水下推进器线反电动势观测值进行扇区判别与转矩估计,从而获得6个离散的换相信号,实现无位置检测的水下推进器直接转矩控制。仿真试验表明:所提控制方法能够很好地观测线反电动势,提高转矩动态响应,减小系统抖振幅度。

宏压电纤维致动的水下推进器性能及机理

提出了一种宏压电纤维复合材料(macro fiber composite,简称MFC)致动的仿鲹科身体/尾鳍(body or caudal fin,简称BCF)水下推进器。利用搭建的实验平台测试了不同驱动电压条件下推进器的摆动性能,推进器在峰峰值为1000V,频率为17.7和3Hz的激励电压下分别取得空气中最大摆幅峰峰值为45mm,水下最大摆幅峰峰值13mm。借助计算流体力学(computational fluid dynamics,简称CFD)研究了仿生推进器在稳定摆动过程中流场特性和尾迹旋涡的分布情况,从推进器端部观察到的“反卡门涡街”结构揭示了仿生推进器的流体动力学机制和摆动式推进机理。推进器端部在x方向上的平均推进力可达1.5mN。研究成果对压电纤维致动器在仿生推进器的优化设计和提高其推进效率提供技术支持。

Orbal氧化沟水下推进器布置的三维流场数值模拟分析

通过计算流体力学(CFD)前处理软件GAMBIT构建了Orbal氧化沟三维计算模型,利用CFD商用软件FLUENT中的RNGk-ε湍流数值模型和混合物两相流数值模型,对水下推进器在Orbal氧化沟中布置的三维流场进行了数值模拟分析.结果表明,水下推进器总功率宜为4kW,总功率相同时4组推进器对称布置优于2组推进器.氧化沟直道段曝气转盘下游的水下推进器T1和T3纵向最佳位置在下个转盘上游1/3弯道处,弯道段曝气转盘下游的水下推进器T2和T4则在下个转盘上游1/3直道处.4组推进器横向最佳位置都在离氧化沟内侧3/8沟宽处,垂向都在最小安装高度处.对优化后的氧化沟流场进行了数值模拟,流体平均流速达到了0.5m/s,沟底平均流速大于0.15m/s,氧化沟下层弯道出口内侧流体的SS沉降可能性较高.

水下推进器测速仪的设计与实现

该设计旨在开发一种水下推进器的测速仪器。该仪器利用霍尔电流传感器,通过检测推进器运行时的换向纹波来测速,并采用单片机进行控制计算,从而实现了无接触、高精度、数字化的便捷测量;该仪器还可做成钳形表,能够在不改变原有机械、电气结构的情况下简单、方便、快速地测出推进器的运转速度。此外,该仪器还加入了对推进器电流、电压的测量,并采用人性化、模块化设计。

浅谈一种水下推进器

水下推进器提供给人们一种全新的娱乐方式,它提高了人们在水中的活动范围和速度,除了娱乐用途之外,还能够用于水下搜救、水下勘测等工业领域和蛙人运输、特种作战等军事领域的水下推进装置。

浮岛模型水下推进器设计浅析

我国是海洋大国,海洋资源丰富.建造海上浮岛的战略意义开始被重视,其造价廉价、维护成本较低,利用范围广泛,未来能够更好的为军民所利用.作为浮岛动力装置的设计是浮岛在海上运动所必不可少基本保证.因此通过研究浮岛模型的推进器设计,能够更好的为浮岛平台的设计提供技术支持.本文中通过对浮岛模型水下推进器的桨的设计、电机选型、推力的试验进行了简要的阐述.

MD-W5040水下推进器外转子电机设计与分析

针对水下推进器电机的性能要求,设计了一款12槽14极、250 W的MD-W5040外转子直流永磁电机,分析了其结构特点。然后在Maxwell2D中建立了电机模型,前处理后对电机的磁场磁密、输出转矩、负载损耗等进行了计算。进一步地,将损耗作为热源在Ansys Workbench的Fluent模块中对稳态负载下的电机进行了温度计算,验证了该电机设计合理性。最后对试制的电机物理样机进行了测试分析,结果表明在额定电压、电流时,电机转速3000 r/min,输出功率为258 W,扭矩为0.8 N·m,效率为78.8%,满足水下推进器对驱动电机的性能要求。目前,该电机已实现了量产。

水下推进器电流转速信号的模糊聚类故障检测方法研究

为解决水下推进器在异物缠绕情形下故障诊断方法仅使用单一信号而无法综合利用多传感器相关性信息等问题,提出一种基于电流、转速信号相关分析与模糊C均值聚类相结合的水下推进器故障诊断方法.首先对采集到的水下推进器在不同状态下的电流、转速信号进行归一化操作;其次计算归一化后的电流、转速信号的相关度并组成相关度矩阵;最后以相关度矩阵作为特征使用数据聚类方法进行诊断.为验证该方法的有效性,使用推进器缠绕情形下故障数据对所提方法进行了验证.结果表明,相比仅使用单一信号的故障诊断方法,该方法能充分提取水下推进器多传感器相关度信息,特征提取更充分,有效提高了水下推进器故障诊断正确率.

水下推进器运行状态故障诊断的实验装置

为了实现对小型水下推进器的故障诊断方法的研究,设计了一种水下推进器运行状态故障诊断的实验装置。通过对某小型水下机器人使用的推进器相关参数的研究,研制了一款水下推进器仿真平台,并研发了一套控制器硬件及其上位机和下位机监控软件,实现了对推进器电气参数的采集和存储。实验表明,该套系统能够对小型推进器调速和正反转功能实现模拟,达到了系统的设计指标。

基于FMECA的水下轮缘推进器复合可靠性分析

水下轮缘推进器可运行在较深海水的环境下,其可靠性不但受到加工制造的影响还受到严酷运行环境的影响。为了降低设备故障率,本文提出以FMECA和单元风险优先数(RPN)融合的可靠性分析策略。首先将水下轮缘推进器进行单元分解,详尽分析各单元风险优先数,并以此为作为加权因子,建立水下轮缘推进器可靠性模型以及进行各单元可靠性分配,对水下轮缘推进器的系统进行复合失效率分析,最终通过计算公式求得可靠性数据。此方法可综合考虑运行装备的多种因素,对水下轮缘推进器的实际可靠性运行具有指导意义,最终将该策略应用到一款自研的水下轮缘推进器研制过程,实践表明了该分析策略的有效性。

基于功能材料的柔性多关节水下仿鱼形推进器设计及分析

分析了当前的智能材料用于仿鱼类肌肉组织的可行性.设计了四关节柔性水下仿鱼形推进器,给出了控制流程图,建立了运动学方程.深入地分析了仿鱼形推进器存在的游动不稳现象及其产生原因,并给出几种提高稳定性的方案.分别测试了迎水面形状对称与否、有无附加鳍以及附加鳍位置对稳定性的影响.最后,通过比较实验证明了此方案对提高柔性多关节水下仿鱼形推进器的游动稳定性是可行的.

可穿戴式水下推进器的设计与实现

文章针对传统手持式水下推进器笨重、携带不便、续航里程短等问题,设计并实现了可穿戴式水下推进器。以飞思卡尔KL25Z128VLK4芯片为核心,采用防水能力强、具有自我保护功能的无刷电机,自行设计电机的控制系统,配合更高能效的锂离子电池,解决了推进器小型化和轻量化的问题。

模块化仿生波动推进器设计与控制研究

仿生波动推进方式具有机动性好、适应性强、环境友好等优势,在水下机器人应用中具有广阔前景。为提高仿生波动鳍推进速度、减小质量与体积、提高可靠性,提出了一种基于凸轮驱动的模块化仿生波动推进器,基于自抗扰控制方法实现仿生波动鳍的频率连续精确控制。针对波动鳍仿生构型进行设计,对正弦波发生机构进行理论计算与运动仿真,推导了凸轮机构瞬时效率公式,平均效率最高可达83.6%。以波动鳍输出频率为控制目标,建立了波动鳍控制模型。理论推导与流体仿真结果表明,在定常频率下波动鳍内部特性与外部负载均呈非线性时变效应。设计了线性自抗扰波频控制器,基于STM32单片机搭建了波动鳍测控实验系统。实验结果表明,在低频与高频下波动鳍均能准确跟踪期望频率,响应曲线平缓连续且无超调,稳态波动误差小于2.3%。当频率为3 Hz时,自抗扰控制器与PID控制器输出波动误差分别为6.3%和2.1%,自抗扰控制精度提高66.7%。研究结果表明,该模块化仿生波动推进器控制精度高、集成度好,可任意数量配置到仿生水下机器人上,具有较好的应用价值。

水下仿鱼推进器的分析

鱼类推进模式分为波动和摆动推进模式,由此产生了仿鱼推进机理及推进技术。仿鱼推进系统设计主要包括诸如载体和推进器(鳍)的结构与形态、鳍的力学特性(惯量和硬度等)、致动机构选择与布置、传感器的选择与布置等问题。

仿照直升机旋翼的水下矢量推进装置

借鉴直升机上的矢量推进技术,研究出一种提高载具灵活性、降低载具的操作难度的水下推进装置,在船模上进行初期测试。联想到大气和水下的环境相似性,将航模的金属头旋翼总成装置运用到船模上,代替船模原来的水下推进器。旋翼头总成装置控制运动方向的三个自由度分别用一个总线舵机控制,旋翼主轴的旋转用38电机通过带传动驱动。由于旋翼头总成装置是位于水下的,而总线舵机和38电机需要在水面上,所以它们之间的运动通过一套传动装置连接,让水面上的控制系统能够控制水面下的旋翼头总成装置运动。传动装置用三维软件建模并3D打印出实物。通过对直升机的矢量推进技术的了解,在此技术基础上模拟载具的矢量推进,制造最新型的水下推进装置,用以提升载具的灵活性、安全性,减少船只的事故触发率。它不仅可以适用于小型的水上游艇,大可以用于万吨巨轮,甚至在未来该技术发展成熟的时候,还可以用于海军的潜艇等,是一件有价值,有前途的项目。