仿生波动鳍的试验研究

波动鳍是某些MPF鱼类的重要推进器,它通过在水中的波动来产生推进和机动所需的操控力和操控力矩.通过观察可知,波动鳍具有非常优秀的低速稳定和机动性能,可作为传统水下推进器的一种有益补充.该文从波动鳍的推进机理出发,设计了一种仿生波动鳍试验装置,该装置采用"鳍条-柔性蹼"结构,由9根鳍条组成,且每根鳍条均由一个舵机进行独立控制.针对载体推进速度与仿生波动鳍的波频、波幅、波长和波传播方向的关系开展了水池试验研究.试验结果表明,通过对仿生波动鳍的波动进行控制,能够使载体实现灵活的正逆向推进,且不同的波动参数对推进速度和推进效率有较大影响.

鳍条运动模式对仿生波动鳍推进力影响的研究

仿生波动鳍的鳍条运动模式分为等幅和变幅两种类型,通过实验发现这2种鳍条运动模式下所产生的游动性能存在着较大的差异.为了揭示这种差异存在的内在缘由,建立基于鳍条这2种运动模式的仿生波动鳍运动学方程.利用计算流体动力学原理,比较不同运动学参数下2种运动模式鳍面压力分布情况,分别给出2种模式下波动鳍产生的无量纲阻力系数随时间的变化情况以及无量纲阻力系数时间平均值随频率、摆幅和波长的变化规律,给出鱼鳍模型中部沿鳍条方向切面的速度场和压力场.结果表明:2种模式下产生的推进力均随频率、摆幅和波长的增大而增加,但等幅摆动产生的推进力始终小于变幅摆动;2种模式下模型中部切面的速度场和压力场存在明显的差异,而尾迹二维涡量场结构和分布形态十分相似,说明影响2种模式游动效果的主要原因之一来自于沿鳍条方向的差异.结论进一步阐述了依赖鱼鳍波动推进的水生生物体高效游动的本质,也为研制高性能的仿鱼鳍波动推进装置提供了参考.

形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究

研究了一种形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上,建立了鳍波动运动学模型,研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器,并进行了试验研究。结果表明,仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动,波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大,鳍波动推进力呈周期性变化,瞬时推力在驱动脉冲宽度80ms时达到最大值180mN。

基于CPG模型的推进器运动控制方法

为了生成仿生长鳍波动推进器的多种运动模式,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)模型的运动控制方法.利用改进的Matsuoka振荡器,建立了一个含有10个神经振荡器的CPG模型,通过调节CPG模型的输入参数协调控制推进器各鳍条的摆动,得到多种运动模式,基于CPG模型建立了长鳍波动推进器的运动控制器.通过在FPGA中实现CPG控制器,实现长鳍波动推进器的实时在线控制.通过推进器的游动实验,验证了控制器的有效性.