SMA驱动仿生机器鱼的尾鳍和喷射推进性能及其实验研究

摘要

仿生机器鱼作为鱼类游动机理和机器人技术的结合点，为研制新型的水下推进器提供了新的思路，有着重要的研究价值和应用前景。水下生物的推进方式主要可分为三类：尾鳍摆动式、胸鳍波动式和喷射推进式。目前，研制的仿生机器鱼多模拟前两类推进方式，而少有模拟喷射推进的。此外，随着智能材料的出现，将智能材料应用于仿生机器鱼的设计成为一种趋势。SMA是智能材料的一种，具有输出应力、应变大和驱动电压低的优点，适宜作为仿生机器鱼的驱动材料。本文将以SMA作为驱动材料，一方面模拟鱼类尾鳍摆动机制设计一种仿生尾鳍推进器，另一方面模拟墨鱼喷射推进机制设计一种仿墨鱼喷射推进器，并分别设计两种仿生机器鱼以验证其可行性。
　　本文首先在借鉴鱼类尾鳍结构和动作机制的基础上研制了一种SMA驱动的仿生尾鳍，该仿生尾鳍在电流的驱动下可实现大幅度双向柔性弯曲摆动，具有仿生效果好、结构简单和动作无噪声的优点。为分析其驱动特性，在综合了其力学模型、SMA的热力学模型和本构模型等模型的基础上建立了其驱动模型。由驱动模型得出当驱动电流介于某一特定区间时，仿生尾鳍的弯曲摆角与其驱动电流之间呈近似线性关系，并得到了实验的验证，为仿生尾鳍摆角的控制提供了理论和实验基础。
　　为进一步研究仿生尾鳍的推进性能，采用计算流体力学方法对三维仿生尾鳍的柔性弯曲摆动进行了CFD仿真和计算，仿真结果表明仿生尾鳍摆动不仅产生周期性波动的推进力，同时还产生周期性波动的侧向力，并且侧向力的波动幅值远大于推进力的波动幅值。为消除侧向力的波动，提出一种双尾鳍对称摆动的推进方式。对其进行了CFD仿真和计算，仿真结果表明双尾鳍对称摆动不仅有效抑制了侧向力的波动，而且还对推进力起到了增强作用，即双尾鳍产生的推进力大于两个独立单尾鳍产生的推进力之和。此外，对单尾鳍摆动和双尾鳍摆动时周围流体的速度场、压力场的分布特征以及流场的三维涡结构进行了分析，研究了尾鳍摆动的推进机理以及双尾鳍摆动时的流场耦合作用。随后，搭建了力学性能测试平台，分别对单尾鳍摆动和双尾鳍摆动的推进力和侧向力进行了测试，实验结果验证了仿真的正确性。
　　本课题组在对墨鱼喷射推进机制分析的基础上，借鉴墨鱼外套膜的结构研制了一种SMA驱动的仿生外套膜结构，并藉此实现了仿生喷射推进。为进一步提高仿生外套膜的动作性能，本文对其布丝结构进行了改进，提出一种V型布丝结构仿生外套膜。为分析其动作和推进性能，在综合了其几何形变模型、力学模型、腔内压强模型以及SMA丝的热力学模型和本构模型等模型的基础上建立了其动作理论模型。利用该模型计算了仿生外套膜的动作幅值及推进力，并研究了布丝角度对动作幅值的影响，得出了最优布丝角度。随后，利用所搭建的力学性能测试平台对仿生喷射推进器的推进性能进行了测试，实验结果验证了理论模型的正确性。
　　最后，分别研制了基于仿生尾鳍推进和基于仿生喷射推进的机器鱼，并研制了具有自主游动功能的机器鱼控制系统，为机器鱼实现自主游动提供了平台。进行了机器鱼的游动实验，实验结果表明机器鱼均可实现直线游动、转弯游动以及按预定轨迹的自主游动。此外，实验结果还表明双尾鳍推进有效的克服了单尾鳍推进时机器鱼的摇艏现象，有利于提高机器鱼游动的稳定性。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 智能材料驱动的仿生机器鱼研究综述

1.3 CFD在水下仿生推进研究中的应用

1.4 目前国内外研究中存在问题分析

1.5 课题来源及研究的目的和意义

1.6 本论文的主要研究内容

第2章 SMA驱动的仿生尾鳍设计及其驱动特性分析

2.1 引言

2.2 SMA驱动的仿生尾鳍设计

2.3 仿生尾鳍驱动特性理论建模

2.4 驱动特性理论分析

2.5 实验验证

2.6 本章小结

第3章 仿生尾鳍推进性能的CFD仿真技术研究

3.1 引言

3.2 仿生尾鳍摆动的CFD实现

3.3 数值模拟结果分析及尾鳍推进模型

3.4 双尾鳍推进性能仿真分析

3.5推进性能实验验证

3.6 本章小结

第4章 V型布丝仿生外套膜喷射推进器建模分析及实验研究

4.1 引言

4.2 仿生外套膜喷射推进器及V型布丝仿生外套膜

4.3 V型布丝仿生外套膜动作理论建模及分析

4.4 仿生外套膜喷射推进器实验研究

4.5 本章小结

第5章 SMA驱动的尾鳍推进和喷射推进机器鱼研究

5.1 引言

5.2 尾鳍推进机器鱼结构设计及动力学分析

5.3 机器鱼控制系统设计

5.4 仿生尾鳍推进机器鱼游动实验

5.5 仿生墨鱼水下机器人喷射推进游动实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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