基于在線功率檢測系統(tǒng)的魚群水動(dòng)力性能研究.pdf

1、近年類，在開發(fā)新的水下自主航行器的背景下，魚類在流體介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)行為已收到廣泛的關(guān)注。這些研究通常簡化仿生推進(jìn)的問題，研究孤立的震動(dòng)表面在流體中的推進(jìn)性能，并已取得顯著的進(jìn)展。然而，魚類所用的推進(jìn)面很少處于孤立的境況，通常群體運(yùn)動(dòng)。有幾個(gè)原因已經(jīng)找到，主要包括以下幾個(gè)方面：群體保護(hù)，節(jié)約能源和水動(dòng)力優(yōu)勢，社會(huì)行為，以及覓食。在復(fù)雜的流場中，如何評(píng)價(jià)魚群的水動(dòng)力性能是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，值得進(jìn)行研究。
　　本文設(shè)計(jì)了一種在線功率檢

2、測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集仿生機(jī)器人在復(fù)雜的流場中的運(yùn)動(dòng)功率，使用運(yùn)動(dòng)功率來評(píng)價(jià)水動(dòng)力性能。功率檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)5000Sa/s采樣速率，高速的檢測仿生機(jī)器人的實(shí)時(shí)功率消耗。功率檢測系統(tǒng)中還集成了錄像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控仿生機(jī)器人的位姿，使用最小二乘法的曲線擬合算法計(jì)算仿生機(jī)器人的速度。結(jié)合功率和速度，求解出仿生機(jī)器人在流體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的推力。引入效率計(jì)算方法，通過功率、速度、推力三者可以計(jì)算水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率。這四種性能指標(biāo)，都可以用來評(píng)價(jià)仿生

3、機(jī)器人在復(fù)雜流場中水動(dòng)力性能。
　　本文以北京大學(xué)智能控制實(shí)驗(yàn)的多關(guān)節(jié)仿鲹科機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)載體，結(jié)合在線功率檢測系統(tǒng)，研究魚群的水動(dòng)力性能。實(shí)驗(yàn)中，用兩條首尾并排的仿生機(jī)器人來模擬魚群，來研究魚群的水動(dòng)力性能。本文為了減小由于仿生機(jī)器人硬件本身引起的系統(tǒng)誤差，引入了純功率的定義，可以更精確的反應(yīng)仿生機(jī)器人的性能。本文研究了魚群中各體之間由于擺動(dòng)相位差不同，引起魚群水動(dòng)力性能變化的趨勢。研究結(jié)果表明魚群中這種并排游動(dòng)的行為下，同相位擺

4、動(dòng)的時(shí)，群體純功率消耗最??；反向相位擺動(dòng)時(shí)，群體純功率消耗最大，群體速度也達(dá)到最大值；群體速度在擺動(dòng)相位差為π/4和7π/4的時(shí)候最小。結(jié)合群體的純功率和速度，計(jì)算得出群體的推力性能隨著擺動(dòng)相位差變化趨勢和群體的純功率消耗的趨勢類似。通過效率計(jì)算方法，推斷出魚群同相位擺動(dòng)的時(shí)候效率是最高的。本文還研究了，魚群中并排的個(gè)體之間的橫向距離對(duì)群體純功率消耗的影響，并得出隨著橫向距離的增加，群體之間的相互影響減弱，群體的純功率消耗和擺動(dòng)相位差的