胸尾鳍协同推进的仿生机器鱼设计

针对一种新型仿暗绿鲀机器人,以提高其机动性与优化外形为目的进行研究,设计具有双自由度胸鳍和二关节尾鳍的机器鱼。它的胸鳍对称地排列在两侧,可以做拍翼和摇翼两个自由度的运动,用于推进或其他目的,如转弯和潜水。最后,进行三组实验,研究机器鱼在三种不同推进模式下的游动性能,重点在于对胸尾鳍协同推进的研究。实验结果表明,尾鳍推进和胸鳍推进的游动速度与模型预测基本吻合。此外,单独使用尾鳍推进时,游速可达0.14 m/s;单独使用胸鳍推进时,游速可达0.04 m/s;胸鳍和尾鳍协同推进转弯时,最大游速可达0.19 m/s,最大转弯速度可达0.4 rad/s,此时转弯半径为0.15 m。

3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析

为了提高仿生机器鱼在复杂水环境中的游动性能和推进效率,文中设计了一种3自由度胸鳍机器鱼推进机构,研究了鱼体在3自由度胸鳍推进和两侧胸鳍与尾鳍协同推进两种模式下的游动性能。首先,基于鱼体波传播理论分析3自由度胸鳍关节空间运动规律,采用微元法分析建立其动力学模型,并对不同推进方式下运动参数的影响程度进行了比较和仿真。仿真结果表明:当两个胸鳍相互协同时,机器鱼的平均速度为0.28 m/s,当双侧胸鳍与尾鳍共同协同时,机器鱼的平均速度为0.42 m/s,对比发现胸鳍和尾鳍协同推进时速度更高且推力更大,可实现较宽的游速范围,推进性能更好。

机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究

设计了一种二自由度胸鳍/尾鳍协同推进的仿生机器鳕鱼,其胸鳍推进机构不仅能够单独实现前后拍翼运动、摇翼运动以及两者的复合运动,而且还可与尾鳍实现协同推进,进而分别建立了胸鳍单独推进、胸鳍/尾鳍协同推进时的水动力学模型。数值仿真及实验结果均表明,胸鳍复合运动与尾鳍协同推进时,仿生机器鱼游速最快,可达0.30 m/s,胸鳍摇翼运动推进时游速最低,仅为0.05 m/s,其他推进方式的游速介于二者之间,但均能够实现稳定的游动。与现有结果相比,所设计仿生机器鱼直线游动模态多样,稳定游速可选范围较宽,机动性较好。

非零攻角和侧滑角条件下弹托不同步飞离的数值模拟

对弹药在不同条件下的发射过程进行研究是研制弹药的重要一环,它有助于弹药适应现代战场复杂多变的发射环境。为了提高尾翼稳定脱壳穿甲弹(APFSDS)的射击精度和飞行稳定性,通过非结构化动网格技术和用户自定义函数耦合计算流体力学和六自由度外弹道程序,对非零攻角和侧滑角条件下APFSDS弹托相对弹体动态分离过程进行了数值模拟,获得了非零攻角和侧滑角条件下弹托分离流场、六自由度运动参数以及弹体气动参数的变化情况。结果表明:在非对称来流的影响下,弹托分离流场呈现非对称性,引起弹托受力不均匀,从而导致弹托非对称、不同步地飞离弹体,加大弹体受到的扰动,最终降低弹丸的射击精度和飞行稳定性。

一种双自由度胸鳍仿生机器鱼

为提升机动性,设计一种由双自由度胸鳍和仿鲹科鱼尾部相结合的运动推进型仿生机器鱼。分别对机器鱼的双自由度胸鳍、身体与尾部弹簧传动机构进行设计,采用Arduino控制板及一体化的硅胶膜,基于电气系统控制方案和防水密封方案,通过对CPG单元进行建模与控制,给出机器鱼在不同运动形态下的控制方法,并通过实验验证了方案的可行性。结果表明,该设计实现了双自由度胸鳍机器鱼直行、转弯、下潜的运动姿态。

基于反馈线性化的船舶舵鳍联合减摇MPC控制

针对船舶运动系统具有非线性、强耦合、多变量等特性,并考虑海洋环境对船舶运动影响,建立了一个能够比较全面反映船舶运动本质特性的四自由度(纵荡、横荡、横摇、艏摇)运动非线性数学模型,基于模型预测控制是一种在控制领域得到实际应用的多变量优化控制策略,设计了基于反馈线性化的船舶舵鳍联合减摇模型预测控制(MPC)系统。在不同海情下,完成了横摇与航向联合控制仿真实验,结果表明:该控制方法鲁棒性强,既能实现精确的航向控制又能得到良好的减摇效果。

一种2自由度胸鳍推进机构设计与动力学分析

以箱鲀为仿生对象,设计了一种两侧胸鳍对称布置,单侧2自由度胸鳍能够实现摇翼运动、前后拍翼运动以及两者复合运动的仿生机器鱼,建立了其利用"划水模式"推进的水动力学模型,通过数值方法给出了胸鳍摆动周期、幅值以及初始角的变化与直线游动速度之间的关系,实验结果验证了其有效性.在此基础上,确定了所设计仿生机器鱼采用"划水模式"推进时的直线游动模态.研究结果表明,胸鳍"划水模式"推进的仿生机器鱼具有较高的效率和运动速度.

一种2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼转弯特性研究

以2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼为对象,研究其在单侧胸鳍推进、两侧胸鳍协同推进、以及单侧胸鳍与尾鳍协同推进等3种情形下的转弯特性.首先给出了胸鳍和尾鳍的正弦运动规律,并建立了3种情形下的转弯水动力学模型.然后利用数值方法分析了单侧胸鳍推进、单侧胸鳍/尾鳍协同推进时机器鱼实现给定半径转弯,以及两侧胸鳍协同推进时机器鱼实现原地转弯的特性,并给出了相应的转弯条件.实验结果表明,单侧胸鳍/尾鳍协同推进时的平均转弯角速度为0.26 rad/s;单侧胸鳍推进时的最大转弯角速度为0.314 rad/s,最小转弯半径为0.74倍体长;双侧胸鳍协同推进时原地转弯平均角速度为0.42 rad/s.与现有结果相比,所设计机器鱼转弯方式更为丰富,转弯机动性和转弯角速度较高.