压电纤维致动柔性结构的仿鱼体波振动特性及流场分布研究

提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型,实验测得水下柔性结构的二阶振型,验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学(CFD)分析了柔性结构周围流线及压力分布情况,结果表明:二阶振动行为下,柔性结构节点前后流线方向相反;两侧流场始终存在两组高、低压集中区域,且节点前后的压力集中区域分布相反;柔性结构两侧始终存在正压梯度,其中向前的压力分量为柔性结构提供持续的推进力,而节点前后压力分量产生的侧向力方向相反,部分抵消,增强了柔性结构的侧向稳定性。研究结果为水下仿生推进器的设计和性能分析提供了重要参考。

摆动推进鱼类鱼体波复模态分解及其特性分析

在自然界中,大多数鱼类通过身体和尾鳍的复合波动形成独特的鱼体波曲线,以获得其快速高效的游动性能。文中以鱼体波为研究对象,采用复模态正交分解(COD)方法来研究鱼体的复合波动模式。从振动模态的角度看,鱼类的游动是粘弹性鱼体在流体中的强迫振动,鱼体波对应的是复模态振型。根据COD方法,将鱼体波分解为纯行波和纯驻波两部分,并利用复模态振型实部和虚部的相关系数来定义鱼体波的行波系数。通过分析鳗鲡科乐锦鳚鱼和亚鲹科虹鳟鱼的鱼体波数据,得到对应鱼体波的行波系数分别为0.793和0.604。结果表明,乐锦鳚鱼的鱼体波中含有较大的行波成分,而虹鳟鱼鱼体波则含有较多的驻波成分。该结论从生物学上验证了鱼体波的复模态特性,该特性与鱼体动力学特性以及游动模式有着密切关系。

仿生机器鱼运动控制方法综述

运动控制是仿生机器鱼研究的核心问题,为此,依据解决运动控制问题的不同思路,总结了仿生机器鱼运动控制常见的几种研究方法:基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法、正弦控制器方法和基于中枢模式发生器模型的方法,分别对3种运动控制方法的基本原理和特点进行了总结和归纳,分析了3种方法在可靠性、稳定性和实时性等方面的优缺点,最后指出了仿生机器鱼运动控制方法的发展趋势。

两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法的对比研究

给出并比较了两类分别采用鱼体波动方程和中枢模式发生器(Central pattern generator,CPG)控制仿鲹科机器鱼倒游运动的方法.前者主要通过修改鱼体波动方程、颠倒机器鱼各个关节的控制规律来实现鱼体倒游;后者则基于CPG模型,产生各个关节的节律控制信号.基于CPG的倒游方法可进一步细分为两种:1)相位颠倒的CPG控制方法,即通过逆转CPG控制机器鱼直游的相位关系;2)相位–幅值颠倒的CPG控制方法,即通过逆转鱼体波的传播方向和摆动幅值来实现机器鱼倒游.文中针对这两大类、三种机器鱼倒游运动控制方法进行了分析、仿真和实验.实验结果表明:在相同参数配置下,采用相位颠倒的CPG控制方法产生的倒游速度最大,但游动对水的扰动也最大;而采用鱼体波倒游和相位–幅值颠倒的CPG控制方法时,两者产生的最大倒游速度相差不大,扰动较小.此外,采用鱼体波倒游方法在频率切换时会有抖动现象,需要设计专门的过渡函数来消除;而采用CPG模型的方法则可以实现平滑过渡.上述结果对提高水下游动机器人的机动性能具有重要的指导意义.

仿生机器鱼运动学模型优化与实验

以仿生学为基础的机器鱼是一种新型水下机器人,具有高速、高效、节能等方面优势。为进一步探索仿生机器鱼的运动机理,指出了当前仿生机器鱼运动学模型存在的不足,即未考虑因制造、鱼体结构的影响,而产生的头部左右摆动。故在考虑仿生机器鱼头部摆动的情况下,构建头部摆动方程,引入摆动偏移量,修正其运动学模型。利用MATLAB对模型进行优化,分析结果表明修正后的运动学模型更能够描述实体仿生机器鱼的游动特性。最后,将修正后的运动学模型,运用到三关节仿生机器鱼上进行实验,结果表明,该模型能够有效地抑制仿生机器鱼头部摆动,进而提高了仿生机器鱼的游动速度。

基于AVR和51单片机的机器鱼语音控制系统设计与实现

为了实现人和机器鱼之间的交流,提出一种基于AVR和51单片机语音控制识别系统设计。在理论分析和实验观察基础上,设计了51单片机主控M-LD3320语音识别模块的语音识别系统,以及AVR主控鱼体产生鱼体波的动力系统。语音识别系统识别到语音,就通过WAP200B无线通讯模块将命令传送给鱼体的动力系统,AVR再根据命令产生相应的鱼体波。实验结果表明,该方案可以实现语音控制机器鱼。

基于CFD的仿鲹科机器鱼动力学建模与运动控制

仿生机器鱼的运动控制是仿生机器鱼推广应用的基础;然而,仿鲹科机器鱼的推进一般采用鱼体波数据,很少采用真实鱼类游动数据;为了深入探究仿鲹科机器鱼运动控制方法,采用了计算流体力学方法,通过标定流体介质、来流速度、鱼体几何形状等措施,利用Fluent软件进行了建模,然后针对鱼体波数据和真实金枪鱼游动采样数据两种不同推进数据对仿生机器鱼进行了仿真和实验;结果表明对于多关节仿生机器鱼推进方面,真实金枪鱼游动采样数据相较于常见的鱼体波产生的推进数据,在躯干进行大幅值摆动的情况下效果更好;这一仿真和实验对比为仿鲹科机器鱼的高效运动控制提供了一种新思路。

Simplified propulsive model for biomimetic robot fish and its experimental validation

As a combination of bio-mechanism and engineering technology, robot fish has become a multidisci- plinary research that mainly involves both hydrodynamics-based control and actuation technology. This paper presents a simplified propulsive model for carangiform propulsion, which is a swimming mode suitable for high speed and high efficiency. The carangiform motion is modeled as an N-joint nscillating mechanism that is composed of two basic components： the streamlined fish body represented by a planar spline curve and its hmate caudal tail by an oscillating foil. The speed of fish＇s straight swimming is adjusted by modulating the joint＇s oscillating frequency, and its orientation is tuned by different joint＇s deflection. The results from actual experiment showed that the proposed simplified propulsive model could be a viable eandidate for application in aquatic： swimming vehicles.