Numerical simulations and vorticity dynamics of self-propelled swimming of 3D bionic fish

Numerical simulations and the control of self-propelled swimming of three-dimensional bionic fish in a viscous flow and the mechanism of fish swimming are carried out in this study,with a 3D computational fluid dynamics package,which includes the immersed boundary method and the volume of fluid method,the adaptive multi-grid finite volume method,and the control strategy of fish swimming.Firstly,the mechanism of 3D fish swimming was studied and the vorticity dynamics root was traced to the moving body surface by using the boundary vorticity-flux theory.With the change of swimming speed,the contributions of the fish body and caudal fin to thrust are analyzed quantitatively.The relationship between vortex structures of fish swimming and the forces exerted on the fish body are also given in this paper.Finally,the 3D wake structure of self-propelled swimming of 3D bionic fish is presented.The in-depth analysis of the 3D vortex structure in the role of 3D biomimetic fish swimming is also performed.

Numerical simulations of self-propelled swimming of 3D bionic fish school

Numerical simulations of self-propelled swimming of a three dimensional bionic fish and fish school in a viscous fluid are carried out. This is done with the assistance of a parallel software package produced for 3D moving boundary problems. This computational fluid dynamics package combines the adaptive multi-grid finite volume method, the immersed boundary method and VOF (volume of fluid) method. By using the package results of the self-propelled swimming of a 3D bionic fish and fish school in a vis- cous fluid are obtained. With comparison to the existing experimental measurements of living fishes, the predicted structure of vortical wakes is in good agreement with the measurements.

计算流体力学方法在仿生机器鱼中的应用研究进展

计算流体力学是研究仿生机器鱼水动力特性的重要数值模拟方法,已在仿生学及海洋学等众多领域得到广泛应用。本文利用CNKI中文数据库及Web of Science核心合集数据库分别检索到201篇中文文献和146篇英文文献,运用Cite Space软件的文献计量学分析方法,对文献类型、期刊分布、发文量趋势、作者、研究机构和高被引文献进行了系统分析,并结合关键词网络知识图谱、关键词聚类图谱,探讨了计算流体力学在仿生机器鱼领域中的应用研究热点。结果表明:仿生机器鱼领域中外文献发文量呈现逐年上升趋势,且仿生类期刊及文献具有较高的影响因子与被引频次;研究学科领域涉及工程学、机器人学、力学与材料科学等多个交叉性学科;该领域内研究热点与重点方向为动力学模型、三维流场仿真、设计与制作。针对现有研究的不足,建议未来研究应深入探讨水生生物集群运动仿真、鱼类侧线感知机制和仿生机器鱼水动力试验,以期促进多学科融合,为仿生机器鱼的发展提供科学参考。

侧喷射流的仿生鱼表面减阻优化研究

为了研究射流孔结构参数对水下射流减阻的影响,以金枪鱼为仿生对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃在仿生鱼模型侧面添加射流孔建立了射流模型.采用数值模拟方法,分析主流场速度及射流孔的形状、高度、位置、高宽比等单因素对仿生鱼表面减阻的影响规律.通过Design-expert软件对射流孔的结构参数进行响应面多目标参数优化,进一步分析了不同射流孔的结构参数在相互作用时对仿生鱼表面减阻的影响,最终确定了在距离鱼首5 mm处添加形状为后三角形,高度为6 mm,高宽比为4的射流孔时能够达到比较理想的减阻效果,此时模型的总阻力为2.51021 N,相应的减阻率为6.49%.本文通过深入分析射流孔结构参数的影响,为水下射流减阻技术提供了重要的理论基础和实验指导,为仿生技术在水下流体力学领域的应用拓展了新的可能性.

基于改进YOLOv5的仿生机器鱼目标检测算法研究

为满足仿生机器鱼目标检测的需要,在YOLOv5基础上提出了一种轻量级检测算法,降低算法复杂度并提高精度。首先对YOLOv5s模型进行改进,通过GhostConv和C3Ghost模块降低参数量和计算量。其次,引入CA和CoordConv模块增强特征提取和目标位置感知能力,采用soft NMS减少使用传统非极大抑制(Non maximum suppression,NMS)带来的漏检、误检,同时使用MPDIoU简化相似性比较,提升检测精度和召回率。最后,所提出方法在目标检测数据集上的试验结果表明,改进的YOLOv5网络体积更小、精度更高,证明了该算法的有效性和优越性。

基于CFD的仿生水动力学数值计算方法及其验证

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略,对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明:基于CFD方法,采用结构与非结构混合的网格划分策略,应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟,通过与实验结果进行对比,验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

仿生机器鱼步态控制及闭环运动控制方法综述

鱼类所具有的推进效率高、机动性强、环境扰动小等优点引发了国内外学者对仿生机器鱼的研究。底层步态控制方法和闭环运动控制方法是当前机器鱼控制研究的两大热点。按照推进模式的分类方法概述各类机器鱼的样机研制情况以及其性能优劣,介绍机器鱼的推进机理及其水动力学研究进展,进而重点探讨轨迹逼近方法和中枢模式发生器这2种底层步态控制思路,综述机器鱼的典型闭环运动控制方法。中枢模式发生器具有更强的灵活性、稳定性和可操作性,易于引入反馈项而实现闭环控制,在机器鱼底层步态控制中占主导地位。针对机器鱼的显著特点改进后的基于学习的控制方法与多种方法相结合后的混合控制方法具有更为广阔的发展前景,符合仿生机器鱼智能化的发展方向。根据工作条件和运动要求建立合理的步态控制系统以及准确高效的闭环运动控制系统可提高机器鱼的整体性能。

仿牛鼻鳐机器鱼设计与分析

设计一种采用单电机驱动单侧胸鳍方式的牛鼻鳐机器鱼.根据牛鼻鳐身体结构和运动方式,设计长59.2 cm,宽73.6 cm,高15.6 cm的机器鱼,实现运动控制.进行运动控制分析,验证机器鱼的水平、垂直、转弯和滑翔运动.设计胸鳍鳍条运动仿真实验,验证机器鱼胸鳍鳍条弦向、展向和鳍尖运动规律.结果证明,机器鱼展向运动类似正弦规律且频率相同,弦向运动类似正弦规律且幅度相同,胸鳍鳍尖振幅为49.42°.分析和仿真表明机器鱼胸鳍的展向、弦向振动规律与牛鼻鳐胸鳍振动规律相似,能够实现滑翔功能,为进一步优化机器鱼模型和搭建机器鱼平台并进行水动力试验提供方向.

鱼类游动机理研究进展

为了解决仿生机器鱼研制的关键问题,本文探究了鱼类的运动特征、受力及与水体的相互作用等游动机理,不仅有助于深入了解鱼类的演化过程,且对环境保护、仿生设计、农业与养殖业等领域提供了科学参考和创新思路。鱼类游动包括身体/尾鳍(BCF)和中间鳍/对鳍(MPF)两种模式,本文从理论研究、试验研究和数值研究3个方面综述了鱼类游动机理的研究进展,针对目前鱼类游动机理研究中存在的问题,提出了未来应在生物鱼推进系统、仿生鱼应用和多机器鱼协同作用等方面开展深入研究,以期为海洋渔业和海洋产业开发提供参考依据。

复合波提升仿生机器鱼推进性能研究

受地震纵波和横波复合作用具有极大破坏性的启发,提出并设计了一种纵横复合波动新型水下仿生推进器。理论上建立了纵横复合波动运动学模型,开发了物理样机与测试平台,通过计算流体动力学(CFD)仿真和物理试验对比分析推进器在不同纵波幅值叠加下的推进性能。仿真结果表明,纵横复合波动能够显著增大波动鳍的推力和速度,推力均值可提高27.6%,峰值增大幅度大于200%。试验结果表明,推进器在2 Hz频率和20°纵波幅值下的稳态平均速度达到0.761 m/s,相比无纵波时提高约14.7%。该研究结果表明,相较于单一正弦横波,复合波动仿生鱼鳍具有更好的推力和速度性能,为高性能仿生波动机器鱼的研制提供了一种新的推进机理。

仿生鱼骨流道液冷电池热管理系统性能研究

为解决动力电池在高放电倍率下温度高以及温差大问题,提出了一种仿生鱼骨流道,并建立了液冷散热模型。在40℃的高温以及电池放电倍率为3C的条件下,研究并对比了鱼骨流道和平行流道的冷却性能,结果表明鱼骨流道具有更好的冷却性能。在此结构下,分析了6个具有代表性的单电池的最高温度以及温差,同时研究了冷却液的流速,冷却流道的流向排列对电池组温度以及温差的影响。结果表明,当冷却液流速为0.02 m/s,电池组放电结束时的最高温度为27.8℃,电池组的温差在2.2℃,冷却液压降为1.5 Pa,采用冷却液交叉流向排列方案的电池组具有更好的均温性。

一种基于多自由度鱼尾的仿生机器鱼设计

针对传统的水下机器人运动效率低、水下作业时产生的噪声污染会影响鱼群生活环境、隐蔽性差容易被雷达探测识别,而大多数仿生鱼尾部摆动模式不够灵活、环境适应性差的问题,提出了一种基于多自由度鱼尾的仿生机器鱼的结构方案。该鱼尾能够产生横向和纵向两个方向的运动矢量,尾部能够进行更加灵活的摆动。对机器鱼尾部结构进行了实验,实验结果表明:在横向上驱动线变化量为50 mm时达到最大摆角116°,纵向上驱动线变化量在46 mm时达到纵向最大摆角61°。

基于北斗网格的仿生鱼自动巡航系统开发及实验研究

针对水域环境自主巡航系统所面临的自主巡航、路径规划、环境感知等诸多挑战,为提升水域巡航的自适应性,本文旨在开发一种基于北斗网格的仿生鱼自动巡航系统,并进行相关实验研究。基于北斗网格码技术和仿生鱼技术的基本原理,设计了仿生鱼自动巡航系统。通过静态测试和动态测试验证了系统的导航精度和巡航效果。静态测试实验结果表明,北斗网格自动巡航系统在水下环境中的定位误差小,具有较高的稳定性。动态测试实验结果显示,仿生鱼能够按照预定路径巡航,轨迹偏差在可接受范围内,证明了系统的有效性和可靠性。

Experimentation of Fish Swimming Based on Tracking Locomotion Locus

There are many kinds of swimming mode in the fish world, and we investigated two of them, used by cyprinids and bulltrout. In this paper we track the locomotion locus by marks in different flow velocity from 0.2 m·s^-1 to 0.8 m·s^-1. By fit the data above we could find out the locomotion mechanism of the two kinds of fish and generate a mathematical model of fish kine- matics. The cyprinid fish has a greater oscillation period and amplitude compared with the bulltrout, and the bulltrout changes velocity mainly by controlling frequency of oscillation.

Research Development on Fish Swimming

Fishes have learned how to achieve outstanding swimming performance through the evolution of hundreds of millions of years,which can provide bio-inspiration for robotic fish design.The premise of designing an excellent robotic fish include fully understanding of fish locomotion mechanism and grasp of the advanced control strategy in robot domain.In this paper,the research development on fish swimming is presented,aiming to offer a reference for the later research.First,the research methods including experimental methods and simulation methods are detailed.Then the current research directions including fish locomotion mechanism,structure and function research and bionic robotic fish are outlined.Fish locomotion mechanism is discussed from three views:macroscopic view to find a unified principle,microscopic view to include muscle activity and intermediate view to study the behaviors of single fish and fish school.Structure and function research is mainly concentrated from three aspects:fin research,lateral line system and body stiffness.Bionic robotic fish research focuses on actuation,materials and motion control.The paper concludes with the future trend that curvature control,machine learning and multiple robotic fish system will play a more important role in this field.Overall,the intensive and comprehensive research on fish swimming will decrease the gap between robotic fish and real fish and contribute to the broad application prospect of robotic fish.

仿生机器鱼框架机构动力学分析与轻量化设计

框架机构作为仿生机器鱼重要的零件,对其进行轻量化设计是提高仿生机器鱼推进效率的有效途径。在三维设计平台中构建虚拟仿生机器鱼的框架及尾部摆动三维实体模型。基于扑翼理论,分析了仿生机器鱼尾鳍在运动中的力学特性,采用瞬时负载数值模拟方法获得仿生机器鱼尾鳍瞬时负载。在机械系统动力学分析软件Adams环境下导入尾鳍机构进行分析,获得了仿生机器鱼框架机构的运动载荷。通过对仿生机器鱼框架的瞬态模拟,研究了仿生机器鱼动态力学实时特征。基于拓扑优化,对仿生机器鱼框架的关键区域进行轻量化设计。结果表明,等效应力、等效应变、总变形和质量分别降低了12%、16%、5.3%和10.69%。仿生机器鱼框架轻量化设计方法提高了仿生机器鱼的机动性能,为仿生机器鱼的设计与研究提供了可靠的理论基础。

仿生机器鱼转向机动的水动力性能数值研究

将仿生机器鱼的C-型转向机动划分为弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段,首先基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体与流体相互作用的耦合求解方法,其次通过二次开发FLUENT实现机器鱼在C-型转向机动过程中鱼体的大变形运动,最后数值计算了机器鱼在C-型转向机动过程中的运动性能、水动力性能和流场涡结构。计算结果表明:仿生机器鱼在弯曲阶段和保持阶段进行快速的转向;在伸展阶段,机器鱼的艏向角速度和侧向速度快速的减小至零值,而前进速度则快速的增加,在伸展阶段结束时获得一个较大的前进速度;在滑行阶段,仿生机器鱼以获得的纵向速度向前滑行,并且纵向速度缓慢的减小。机器鱼的C-型转向机动能够实现小范围内的大角度转向;在弯曲阶段和伸展阶段鱼体的快速弯曲和伸展运动各产生一个涡环,每个涡环产生一个射流,射流产生作用于机器鱼上的水动力和力矩。

基于模糊自适应串级PID控制器的仿生机器鱼位姿控制

为提高仿生机器鱼位姿的控制精度,针对串级PID控制器中固定的内环比例、积分、微分系数不能较好地适用于仿生机器鱼所面临的复杂水环境,且控制参数整定难度大等问题进行了研究。首先,在串级PID控制器的仿生机器鱼位姿控制的基础上,利用模糊控制实时调整串级PID控制器中内环的控制参数,提出基于模糊自适应串级PID控制器的仿生机器鱼位姿控制算法。然后,在多水下机器人协作控制系统平台下进行对比实验。实验结果表明,与串级PID控制器相比,模糊自适应串级PID控制器减少了仿生机器鱼到达目标位姿的时间,降低了位姿误差,验证了算法的有效性。

鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究

为了分析仿生机器鱼的推进模式并预测水下推进性能,对其水动力特性开展研究。基于鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼和波动推进理论,研究入流速度和波动频率对自推进性能的影响。对胸鳍在不同攻角下的升阻比进行数值计算,最佳攻角为20°。通过研究掌握了影响运动性能的主要因素,确定了计算自推进速度的数值方法,改进了机器鱼波动推进模型。研究结果显示,尾部波动频率是最关键参数,对仿生机器鱼的推力和启动响应速度有直接影响。

刚柔耦合仿生机器鱼传动轴动态疲劳可靠性分析

仿生机器鱼在水下工作时受载复杂,仿生机器鱼结构的可靠性对其综合性能有着重要的影响。基于扑翼推进理论,利用Matlab软件分析机器鱼尾鳍的瞬时负载。结合虚拟样机技术,建立以尾鳍传动轴为模态中性文件的仿生机器鱼刚柔耦合虚拟样机模型,分析确定传动轴的薄弱环节,结合随机载荷疲劳可靠性理论,构建以损伤量为指标的疲劳可靠度分析方法,得到了不同应力循环次数下的疲劳可靠度规律。将刚柔耦合虚拟样机技术与扑翼推进理论和随机载荷疲劳可靠性理论相结合,提出一种应用于水下仿生机器人的动态可靠性设计方法。