基于余弦前馈的重复运动控制算法在水下仿生推进系统中的应用

常规比例-积分-微分(PID)控制算法在周期性正弦运动跟随上会产生幅值衰减和相位滞后,且负载越大其幅值衰减和相位滞后越严重,无法满足仿生推进运动的高精度跟随要求;针对周期性重复运动设计的重复控制器在受到外界扰动后,其产生的补偿输出量需滞后一个运动周期才能响应,无法适应水下变负载运行条件。基于此,文中针对某水下推进系统在变负载工况下对低频率正弦位置指令跟踪性能问题,在借鉴前馈控制思想的基础上,提出了余弦前馈补偿控制算法,与常规PID控制器一起,构成复合前馈控制来消除正弦跟随的幅值与相位误差,并进行了仿真与实验验证。仿真与实验结果表明,基于余弦前馈的重复运动控制算法较传统PID控制方法效果显著,在变负载工况下依然可以实现对给定正弦运动指令的精确跟随,相位差较补偿之前减小了60%左右。文中的研究可为实现仿生推进系统流畅精确的周期运动提供新的解决思路。

基于压电致动器的水下柔性推进结构振动特性研究

压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动器因其柔韧性好、致动力大、防水性能优异等特点越来越受到人们的关注,并在智能传感/致动、能量采集、水下仿生机器人等领域得到了广泛的应用。本文旨在研究MFC驱动水下柔性结构的振动特性与动力学响应。计算得到MFC致动器驱动力,根据莫里森半经验公式推导得到流体附加惯性力和附加阻尼力。基于欧拉-伯努利梁理论、假设模态法和第二类拉格朗日方程,建立MFC致动的水下柔性结构耦合非线性动力学模型,采用谐波平衡法将非线性阻尼线性化。数值仿真和实验结果表明:粘贴了MFC致动器的柔性梁结构局部刚度增大,实测模态振型与仿真模态振型基本一致;受周围流体水动力的影响,MFC致动悬臂梁水下前两阶共振频率与动态响应下降明显;模型预测的幅频响应曲线与实测曲线吻合较好,证实了所建耦合动力学模型的有效性。本研究可为基于智能材料的水下仿生推进装置提供参考。

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。

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。

“尼罗河魔鬼”长背鳍波动包络线的提取算法

“尼罗河魔鬼”采用长背鳍波动推进方式,属于典型的奇鳍/对鳍推进鱼类。在已有的理论模型中,细长体理论(Elongated-body theory)较为适合于分析该类游动方式的推进性能。长背鳍的波动包络线方程是细长体理论的必要参数。拍摄实验样本(MPC-I)的自由游动视频,从中选取多组平稳运动图像序列,经旋转校正、零点配准、尺度归一、小波去噪等预处理后,提取了柔性长背鳍波动推进时的顶端边缘轮廓样本曲线簇,进而给出了波动包络曲线的多项式拟合方程。实验结果表明长背鳍波动包络线提取算法是有效的,根据算法所提取的长背鳍波动包络线方程为后续的推进力及推进效率的分析奠定了基础。

基于介电弹性体的合成射流驱动器流场仿真

低噪声、低消耗、高推进效率是新一代仿生水下推进技术的主要研究方向。基于生物仿生机理,文中提出了一种利用介电弹性体(DE)的电致变形驱动合成射流驱动器设计方法,并对其在工作过程中的流场进行了有限元仿真。仿真结果表明,该合成射流驱动器产生的流体喷射具有合成射流的特征,能够形成一系列的涡环,射流在涡环的卷吸作用下保持了较好的方向性。文中研究结果在新一代仿生合成射流驱动领域具有很好的应用前景。