形状记忆合金丝驱动的矢量喷嘴设计及其控制研究

摘要

仿生水下机器人以其高度灵活性及高效性的特点，成为近年来机器人领域研究的热点。目前已研制出的仿生水下机器人主要为模拟鱼类游动模式推进的仿生机器鱼。乌贼是海洋中一种奇特的动物，主要依靠喷射进行游动，其推进效率和灵活性均可与鱼类相媲美，因而极具有仿生价值。喷水推进的技术在船舶推进中应用已较为成熟，并可通过矢量喷口结构对推进方向进行控制。但传统的矢量喷口设计均采用机械传动结构实现，结构复杂，难以应用到小型仿生水下机器人上。而乌贼喷嘴结构简单，可实现柔性弯曲，从而能够灵活控制乌贼游动的方向。因此，本文从乌贼喷嘴形态结构及功能得到启发，选用形状记忆合金(Shape memory alloys，SMA)丝作为驱动器，设计并实现了可柔性弯曲的仿乌贼矢量喷嘴，为喷射推进仿生水下机器人方向控制提供了新方案。
　　本文首先分析了乌贼喷嘴肌肉组织、动作机理以及功能，然后设计了中空式和嵌套式两种仿乌贼矢量喷嘴结构，通过理论分析，得出嵌套式结构优于中空式结构，并建立了仿乌贼矢量喷嘴弯曲时的力学模型。
　　其次，建立了矢量喷嘴空间弯曲的几何模型，确定了 SMA丝驱动器与矢量喷嘴空间弯曲角度的关系。研制了基于LM3S8962单片机的仿乌贼矢量喷嘴控制系统。
　　最后，采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术对仿乌贼矢量喷嘴进行控制。进行了开环实验研究，结果表明 PWM方波周期过长会造成喷嘴振荡，不同占空比的PWM方波可控制喷嘴达到不同弯曲角度，喷嘴不同弯曲角度对应 SMA丝不同电阻值。进行了半闭环实验研究，通过比例积分控制提高了系统响应速度，获得了较小的稳态误差，取得了良好的控制效果。实现了仿乌贼矢量喷嘴的矢量控制。在流速为0.8m/s的条件下进行了喷射试验，验证了其控制水流喷射方向的可行性。

目录

形状记忆合金丝驱动的矢量喷嘴

DESIGN AND CONTROL OF VECTOR NOZZLE ACTUATED BY SHAPE MEMORY ALLOY WIRE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 矢量喷口研究现状

1.3 具有柔性弯曲功能的机器人研究现状

1.4 形状记忆合金及其驱动与控制

1.5 课题来源及研究目的和意义

第2章 仿乌贼矢量喷嘴结构设计

2.1 乌贼喷嘴原型

2.2 仿乌贼矢量喷嘴结构设计

2.3 仿乌贼矢量喷嘴力学模型分析

2.4 本章小结

第3章 仿乌贼矢量喷嘴控制系统研究

3.1 引言

3.2 电阻反馈控制系统硬件设计

3.3 电阻反馈控制程序设计

3.4 仿乌贼矢量喷嘴矢量控制方法

3.5 本章小结

第4章 仿乌贼矢量喷嘴制作及实验研究

4.1 仿乌贼矢量喷嘴的制作

4.2 开环实验

4.3 半闭环实验

4.4 矢量控制实验

4.5 喷射试验

4.6 本章小节

结论

参考文献

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致谢