仿鱼尾鳍推进系统实验研究

论文摘要

近几十年来,在长期的海洋资源开发开采的过程中,人们越来越多的将水下机器人应用于探测、勘察、军事等方面。海洋开发为水下机器人的研究与发展提供了一个有利的平台。为了克服传统水下机器人存在的缺陷,寻找更优良的推进和操纵系统,仿生技术日益得到人们的重视并已成为水下机器人的重要研究方向之一。鱼类游动具有高速、高效、高机动性和低噪声等特点,将鱼类推进和操纵应用于水下机器人,代替传统的螺旋桨和舵的系统,具有十分重要的意义。本论文的目的就是通过设计一套仿鱼尾鳍推进系统装置,研究尾鳍运动的水动力性能。论文首先根据鱼类游动的特点,设计出一套两个关节身体和一个尾鳍的推进系统,并对尾鳍推进系统的设计理念和传动装置进行详细的介绍。进而根据转动轴的转动特点,利用转动角度的大小演算出机械尾鳍摆动的位移和摆动的角度。最后将设定的运动参数输入运行程序,以此来控制模拟真实鱼体尾鳍的运动。在模拟出一系列运动状态后,会通过数字采集器接收到相应的受力信号。利用推导出来公式对瞬时受力的值进行计算,得到尾鳍的推进效率、推力系数、侧向力系数和力矩系数。对不同运动参数下的仿鱼尾鳍推进系统的推进效率、推力系数、侧向力系数和力矩系数进行比较分析,得出最优化的机械尾鳍运动状态。最后经过误差分析,修正运动规律,得到更精确的实验结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景
• 1.3 鱼类仿生基本概念
• 1.3.1 鱼类游动分类
• 1.3.2 BCF运动模式
• 1.3.3 MPF运动模式
• 1.4 基于实验研究的仿鱼推进器研究现状
• 1.4.1 尾鳍方式
• 1.4.2 胸鳍方式
• 1.4.3 柔性长鳍方式
• 1.5 论文的研究综述
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究方法
• 1.6 论文的研究意义
• 第2章 仿鱼尾鳍推进装置总体设计
• 2.1 鱼体尾部的游动特征
• 2.2 基本的设计框架
• 2.3 尾鳍的几何参数与相应的设计思路
• 2.3.1 摆动部分长度比例
• 2.3.2 摆动部分关节简化数
• 2.3.3 摆动关节的长度比例
• 2.3.4 尾鳍的形状
• 2.4 推进装置设计说明
• 2.5 伺服系统设计说明
• 2.6 控制系统设计说明
• 2.7 测量系统设计说明
• 2.7.1 测力天平的电测原理
• 2.7.2 测量系统检测仪器
• 2.8 调零系统设计说明
• 2.9 本章小结
• 第3章 仿鱼尾鳍推进系统运动规律及其校验
• 3.1 真实尾鳍受力分析
• 3.2 仿鱼尾鳍受力分析
• 3.3 尾鳍运动规律理论计算
• 3.3.1 定义坐标系
• 3.3.2 运动规律计算公式
• 3.4 仿鱼尾鳍运动规律分析
• 3.5 仿鱼尾鳍运动规律计算
• 3.5.1 平面力系分解
• 3.5.2 平面力系向转动轴平移
• 3.5.3 无因次化系数的计算方法
• 3.5.4 推进效率的计算方法
• 3.6 仿鱼尾鳍运动规律验证
• 3.7 本章小结
• 第4章 仿鱼尾鳍推进系统水动力实验
• 4.1 实验系统的安装
• 4.2 实验的前期准备
• 4.2.1 测力天平的标定
• 4.2.2 接近开关的调零
• 4.3 实验步骤
• 4.4 误差分析
• 4.4.1 仿鱼尾鳍推进装置引起的误差
• 4.4.2 实验系统测力装置引起的误差
• 4.4.3 其它误差
• 4.5 影响实验精度的因素
• 4.6 本章小结
• 第5章 仿鱼尾鳍推进系统水动力性能分析
• 5.1 主要影响参数的设定
• 5.1.1 斯特劳哈尔数（Strouhal number）
• 5.1.2 尾鳍前缘点摆幅和摆角
• 5.1.3 相位差
• 5.1.4 尾鳍形状
• 5.2 水动力系数的脉动
• 5.3 斯特劳哈尔数对水动力系数的影响
• 5.4 摆幅对水动力系数的影响
• 5.5 摆角对水动力系数的影响
• 5.6 相位差对水动力系数的影响
• 5.7 尾鳍形状对水动力系数的影响
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢