仿生机器鱼尾鳍推进效率的多参数优化研究

仿生机器鱼作为一种高效、高机动的水下机器人,得到了科研人员的广泛关注,对BCF方式机器鱼尾鳍推进效率的研究是其中的重点方向。目前对尾鳍推进效率的优化研究,大多局限于尾鳍单一参数的优化,这与自然鱼类的游动状态相差甚远,因而不能真正达到推进效率最大化的目的。本文提出了尾鳍多参数优化方案,通过对尾鳍转动频率、摆动幅值、击水角度和摆动周期等参数的联合优化,得到一组特定游速下的参数值,结果表明本研究对象在游速0.6L m/s时(L为体长),数值计算推进效率为65.7%,仿真推进效率为64.3%的,均大于目前单一参数的优化结果,充分体现了尾鳍多参数配合的优越性。本文的研究,对提高仿生机器鱼的推进效率具有积极作用。     

仿金枪鱼三维建模及流场受力分析

以鱼体和鱼鳍作为研究对象,在流场中进行数值模拟分析对于研究鱼类本身游动的高速、高效的游动机理和仿生工程上的应用具有十分重要的意义。以金枪鱼为仿生对象,以目前常用的回转体型水下机器人为对比对象,在三维软件Solidworks中结合金枪鱼的运动与形体特征建立鱼体模型和回转体机器人模型,并将建立的模型转换格式后导入Fluent软件中,在来流方向设置为与模型方向相平行的流场中进行有限元数值计算。计算中物理场采用中心差分插值方法,流动模型采用RNG两方程模型,结合具体参数进行了推导计算。计算结果表明,与常用的回转体型水下机器人相比,仿金枪鱼可有效的减小其在水中航行的阻力,提高推进效率。而且,仿生机器鱼在设计中应着重于头部、尾鳍及鱼体流线型部分的设计,其中为最大程度上减小仿生机器鱼运动时的阻力,应更侧重于仿生机器鱼体的流线型外形的优化设计。数值计算结果为仿生机器鱼的结构设计提供了一个良好的力学基础,对于减小运行阻力、提高仿生机器鱼的运动控制水平具有较高的指导意义。     

线驱动自主巡游机器人设计及试验研究

设计了一种拉线机构驱动的仿鱼型自主巡游机器人,阐述了其机械结构、电路系统及控制算法的设计方案,同时开展开敞水域试验对其游动性能进行研究。研究表明,在直行及转弯试验中,当摆尾频率相同时,随着尾鳍摆动幅度的增加,机器鱼的游动速度上升;当尾鳍摆动幅度相同时,随着摆尾频率的增加,机器鱼游动速度先升后降,且在0.60 Hz附近时达到峰值;在目标角度转向试验中,当摆尾频率及目标角度相同时,随着尾鳍摆动幅度的增加,机器鱼的角度响应时间逐渐减小;当尾鳍摆动幅度及目标角度相同时,随着摆尾频率的增加,角度响应时间先降后升;当摆尾频率及摆动幅度相同时,目标角度的增加会使得角度响应时间呈上升趋势。研究成果验证了该机器鱼平台的可靠性,为将来进一步理论研究及实际应用提供了一定的参考。     

柔性仿金枪鱼月牙形尾鳍水动力分析

为研究鱼类高速游动机理,以金枪鱼月牙形尾鳍为对象,采用面元法计算分析了其非定常水动力性能。假设尾鳍在横移和摇摆的同时,以某一匀速向前运动,并假设其在弦向和展向以某一给定规律发生变形,以模仿柔性变形。探讨了前进速度、横移和摇摆的幅度、频率及其相位差对柔性尾鳍推进性能的影响,并与做相应运动的刚性尾鳍进行了对比。     

仿生机器鱼外形设计及流场阻力数值分析

在机器鱼设计过程中,鱼体、尾鳍的外形设计十分重要。为了研究流体阻力更小、推进效率更高的全鱼外形,以金枪鱼、海豚和旗鱼为仿生对象,建立了 3 种不同的机器鱼模型,运用动网格技术定义了边界条件,并用数值方法分析了 3 种模型在流场中的速度、鱼体受力等水动力性能。结果表明：旗鱼模型游动性能最好,相比于金枪鱼与海豚模型,行进过程中受到的阻力更小,且通过斯特罗哈尔数比较旗鱼模型推进效率更高;另一方面,新月鳍仿生鱼游动速度最高,是八字鳍仿生鱼的 2.2 倍左右,旗鱼新月鳍机器鱼具有更好的游动性能。计算结果对减小机器鱼流体阻力,提高其推进效率提供了较好的参考价值。     

摆动尾鳍水动力性能的试验和数值研究

鱼类能够在水下高速度、低噪音、高效率地游动。鱼类出色的推进性能通过其摆动尾鳍实现。这种摆动尾鳍推进方式已经用在了水下无人航行器上。因此研究摆动尾鳍的水动力性能是非常有意义的。对摆动尾鳍的推进水动力性能进行了详尽的研究。设计、装配了一套仿尾鳍推进系统,并对其进行了相应的水动力试验。在试验中研究了运动参数对摆动尾鳍水动力性能的影响。与此同时,采用基于雷诺平均N-S方程的数值方法对摆动尾鳍的水动力性能进行了研究。在数值计算中采用了k-ωSST湍流模型和有限体积法。数值计算结果和水动力试验结果进行了比较。对尾鳍表面的压力分布和流场中的尾涡结构进行了分析。水动力试验和数值计算都表明摆动尾鳍可以产生推进力和较高的推进效率。     

鱼类泳动力学与尾鳍推进装置的设计

类似鱼、海豚尾鳍摆式推进装置的研究是机械工程原理在机械工程上的应用。鳍摆式推进装置与普通螺旋桨推进相比,具有低噪音、较好的可靠性等优点,它可用于船舶及潜水器上。本文概括的叙述了国外有关这方面的研究报告,并用鱼类游动的力学理论进行了讨论、并对鳍摆式推进装置效率设计提出了建议。     

金枪鱼体后行波壁减阻机制研究

控制圆柱体或翼型的行波壁会抑制大规模的分离流动,进而减少阻力。鱼类在游动过程中经常出现行波壁,而行波壁对鱼类游动性能的影响机制尚不清楚。以金枪鱼游动为基础,耦合行波壁,采用锐利界面浸没边界法(IBM)解决摆动过程带来的大变形运动边界问题。结果表明：行波壁的出现改变了金枪鱼体后涡的形成和发展,进而改变了摩擦阻力和压差阻力的分布;耦合行波壁使得摩擦阻力的波动幅值增加,压差阻力有所减小,从而降低了金枪鱼游动过程的阻力。研究的行波壁减阻机制可应用于提高仿生机器鱼的性能,随着智能材料的发展,该机制将在仿生机器鱼的研制中体现其现实意义。     

像鱼一样运动——记仿生机器鱼

如果SPC-Ⅱ仿生机器鱼的技术完全成熟,那么未来的潜水艇就有可能摆脱螺旋桨推进的方式,以更接近于鱼类的方式在水下运动。     

像鱼一样运动——记仿生机器

如果SPC—Ⅱ仿生机器鱼的技术完全成熟，那么未来的潜水艇就有可能摆脱螺旋桨推进的方式，以更接近于鱼类的方式在水下运动。     

海水养殖尼罗罗非鱼尾鳍腐烂病的病原菌性状

对海水养殖尼罗罗非鱼Oreochromis niloticus尾鳍腐烂病(烂尾病)病原菌的形态、生理生化特性进行了研究。经鉴定为嗜水气单胞菌无气亚种Aeromonas hydrophila subsp.anaero-genes Schubert.菌体细胞为直杆,单个,以单极鞭毛运动,革兰氏染色阴性。患病鱼行动迟缓,常浮在水面上游动,鱼体变黑至死亡。     

鱼类

海洋鱼类是最适应生活在海洋中的生物。它们用鳃溶解水中的氧。大部分鱼类都用漂亮的尾巴在水中游动,用鳍掌握方向和进退。鼻孔、眼晴和两侧对震动极为敏感的细胞组织可使鱼类躲避敌害。     

波浪驱动推进机构的最优水翼倾角的确定

波浪可以为海上航行器提供运动的能量,实现长时间、大范围的机动运动.一般认为波浪能驱动推进机构的水翼的摆角对推进性能有显著影响.本文提出了一种确定波浪驱动机构最优水翼倾角的方法.基于绝对坐标系和Kane方程建立了通用波浪驱动推进机构的动力学模型,确定了模型中波浪产生的推进力组成,采用"机构冻结"的方法,计算了任意时刻水翼...     

仿蝠鲼航行器游动规律智能控制与优化方法

固化的游动策略导致仿生航行器难以在变化的水下环境中保持高效率运动,以仿蝠鲼航行器为研究对象,提出了基于深度强化学习的仿生航行器胸鳍摆动智能控制方法,实现了航行器对高效摆动规律的自适应控制和优化。仿真示例表明：与初始给定的游动策略相比,优化后的游动策略在航行速度上提升了 14.46%,在游动能效上提升了 24.48%,从而验证了该方法在仿生航行器游动规律自适应控制与优化设计中的有效性。     

水下柔性鱼形机构原理及单尾鳍板水动力试验研究

柔性鱼形机构是模拟鱼类运动的一种仿生机械系统。对鱼类运动的观察与研究 ,实质上是寻求水域中最优推进形式的过程 ,是工程优化设计的途径之一。在研究及优化柔性鱼形机构时涉及到水动力学及控制模型的问题 ,因此取出鱼形机构的尾鳍部分进行敞水试验 ,既能为有关模型的建立提供依据 ,更重要的是对鱼形机构的可行性进行论证     

仿生水母机器人SMA驱动技术及试验研究

受水母喷射式推进方式的启发,研制了一种以SMA弹簧作为驱动材料的仿生水母机器人。本文首先对SMA弹簧性能做了试验研究,验证了采用SMA弹簧作为仿生水母机器人驱动源的可行性。并在此基础上,提出了一种基于SMA弹簧的直线差动式驱动器,经试验得出了驱动器推杆运动速度与负载的关系。然后对仿生水母机器人游动时动力学进行分析,并使用数值模拟的方法对仿生水母机器人运动阻力进行了计算,得出了在不同工作状态下,仿生水母机器人运动阻力的变化曲线。最后,对仿生水母机器人进行了试验测试,仿生水母机器人达到了预期游速,验证了SMA驱动仿生机器人技术的可行性。     

基于连杆机构综合的水下仿生推进装置设计

海洋动物在长期的进化过程中形成了高超的游泳能力,科学家和工程师希望通过对海洋动物的运动机理分析研发新型的高性能仿生推进装置。本文利用海龟扑翼运动的机理,设计一种基于四杆机构的仿海龟推进装置,并进行了运动分析。通过对海龟的扑翼运动进行分析,获取了海龟水翼在游动过程中的运动规律;运用机构综合的轨迹创成和刚体导引方法,设计了四连杆机构,使固连在连杆上的翼片能够近似实现海龟水翼的运动轨迹和姿态。文中计算了该机构的运动轨迹、姿态和角速度等运动参数,进行了机构的运动学仿真,该研究对于仿海龟推进装置设计和分析有借鉴意义。     

金鱼单尾鳍形成的研究——Ⅰ.卵质对尾鳍发育的影响

应用玻璃针或微吸管对分裂的金鱼(Carassius auratus)卵子进行不同分裂面的分割,或进行不同方向卵质的切割,或吸去部分卵黄质。结果是:采用上述三种方法后所发育的小鱼,都能得到一定数量的单尾鳍鱼。更有趣的是,一个已分裂的卵子分成两部分所形成的两条小鱼,其中一条形成单尾鳍,而另一条是双尾鳍。实验表明:金鱼单或双尾鳍的形成是与卵质有着密切关系的。这是因为,卵质中的某种物质——“调节因子”,存在于植物性半球卵黄囊中的一侧。该调节因子负有调控双尾鳍形成的作用:如果这种物质被分在分离的两部分卵子中,便形成两条双尾鱼;倘若进入其中之一,则会产生一条双尾,一条单尾。     

金鱼单尾鳍形成的研究——Ⅱ.胚胎发育过程中外源信息核糖核酸的作用

从鲤鱼卵巢中提取核酸(mRNA)注入不同发育阶段的金鱼胚胎中,观察mRNA对尾鳍发育的影响。观察结果表明:一次注射的或多次注射的,在胚胎早期均能使双尾鳍变成单尾鳍,但多次注射的,出现单尾鳍数要高;大剂量注射,甚至还可以使晚期胚胎(耳石期),也能形成单尾鳍;mRNA注入卵黄囊中所产生的单尾鳍鱼要比注入胚盘中为多;失活的mRNA不能诱导出单尾鳍的形成。 从实验所得的资料表明:鲤鱼卵巢mRNA能够诱导双尾鳍金鱼转变成单尾鳍,但这种外源mRNA的作用性质,是由具有活性的mRNA翻译成蛋白质或者以它本身直接影响或干扰胚胎中某种“调节因子”,致使双尾鳍基因不能表达,从而导致单尾鳍的形成。     

名不副实的海洋动物

在海洋动物家族里,如果望“名”生义,就会闹出笑话,因为确有一些海洋动物是“名不副实”的……是鱼不叫鱼人世界鱼纲动物约有2万多种,平时我们见到的工鱼类动物的名称中往往带有鱼字或以鱼字作偏傍,但是也有例外,有的动物虽说属于鱼纲,从名称上看似乎与鱼纲毫无关系,例如海马、海龙等。海马头部象马,身体侧扁而弯曲并带有环状骨板,躯干与头成直角,长3～6寸,它没有腹鳍和尾鳍,靠背鳍和胸鳍不停地摆动来活动,海马在水中移