仿蝠鲼潛水器設(shè)計理論與方法

目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 魚類生物學基礎(chǔ) 1
1.2 仿蝠鲼潛水器的國內(nèi)外研究進展 1
1.3 水動力實驗研究進展 2
1.4 仿蝠鲼潛水器的動力學建模簡介 5
1.5 仿生控制方法研究現(xiàn)狀 6
1.5.1 中樞模式發(fā)生器控制 6
1.5.2 基于模型的控制 12
1.6 潛水器能源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 13
1.6.1 常見的幾種潛水器能源系統(tǒng) 13
1.6.2 多源能量分布式電能存儲技術(shù) 16
1.6.3 潛水器的能源管理策略 16
1.6.4 能源系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估 17
1.7 潛水器載荷擴展研究現(xiàn)狀 18
參考文獻 19
第2章 蝠鲼的生物學特性和仿真分析 28
2.1 引言 28
2.2 生物形態(tài)學 28
2.2.1 生物原型分析 28
2.2.2 生物形態(tài)學分析 29
2.3 生物運動姿態(tài)獲取 31
2.3.1 前游姿態(tài)分析 31
2.3.2 偏航姿態(tài)分析 35
2.3.3 俯仰姿態(tài)分析 36
2.3.4 滑翔姿態(tài)分析 40
2.4 蝠鲼水動力計算方法 40
2.4.1 浸入邊界法 40
2.4.2 SGKS方法 43
2.4.3 水動力系數(shù)定義 49
2.4.4 網(wǎng)格無關(guān)性 50
2.4.5 時間步無關(guān)性 52
2.5 蝠鲼主動推進狀態(tài)水動力特性分析 52
2.5.1 展向柔性變形對水動力的影響 52
2.5.2 弦向柔性變形對水動力的影響 54
2.5.3 頻率及振幅對水動力的影響 58
2.6 蝠鲼滑翔姿態(tài)水動力特性分析 64
2.6.1 不同滑翔姿態(tài)下的模型建立 64
2.6.2 不同滑翔姿態(tài)下的水動力分析 65
2.7 本章小結(jié) 73
參考文獻 73
第3章 仿生胸鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計 75
3.1 引言 75
3.2 雙驅(qū)動多連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計 75
3.2.1 方案概述 75
3.2.2 胸鰭機構(gòu)原理設(shè)計 76
3.2.3 擺旋機構(gòu)幾何關(guān)系分析 76
3.2.4 擺旋機構(gòu)運動分析 80
3.3 多驅(qū)動并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計 85
3.3.1 方案概述 85
3.3.2 胸鰭邊緣運動形式 87
3.3.3 驅(qū)動機構(gòu)運動學分析 87
3.4 鰭條與鰭面結(jié)構(gòu)設(shè)計 90
3.4.1 胸鰭柔性分布區(qū)域劃分 90
3.4.2 柔性鰭板分析 92
3.4.3 胸鰭鰭板材料選型 95
3.4.4 柔性鰭板仿真分析 96
3.5 本章小結(jié) 102
參考文獻 102
第4章 仿生胸鰭水動力實驗 103
4.1 引言 103
4.2 仿生胸鰭水動力實驗裝置及原理 103
4.2.1 循環(huán)水槽 103
4.2.2 力學傳感器 104
4.2.3 PIV系統(tǒng) 105
4.3 仿生胸鰭水動力實驗測試平臺 105
4.3.1 仿生胸鰭實驗模型設(shè)計 105
4.3.2 仿生胸鰭實驗測試系統(tǒng) 107
4.3.3 仿生胸鰭實驗測試方案 108
4.4 仿生胸鰭水動力性能實驗測試與分析 112
4.4.1 仿生胸鰭材料屬性對其水動力特性的影響 112
4.4.2 仿生胸鰭展向骨架柔性對其水動力特性的影響 117
4.4.3 仿生胸鰭截面翼型厚度對其水動力特性的影響 120
4.4.4 斯特勞哈爾數(shù)對仿生胸鰭水動力特性的影響 123
4.4.5 擺旋運動攻角對仿生胸鰭水動力特性的影響 127
4.4.6 非對稱振幅拍動對仿生胸鰭水動力特性的影響 129
4.4.7 非對稱頻率拍動對仿生胸鰭水動力特性的影響 130
4.5 仿生胸鰭流場特性實驗測試與分析 132
4.5.1 斯特勞哈爾數(shù)對仿生胸鰭流場特性的影響 132
4.5.2 擺旋運動攻角對仿生胸鰭流場特性的影響 133
4.5.3 非對稱振幅拍動對仿生胸鰭流場特性的影響 134
4.5.4 非對稱頻率拍動對仿生胸鰭流場特性的影響 135
4.6 本章小結(jié) 135
第5章 仿蝠鲼潛水器的動力學建模 137
5.1 引言 137
5.2 移動基座的多體系統(tǒng) 138
5.3 仿蝠鲼潛水器機構(gòu)運動學 142
5.3.1 樣機介紹 142
5.3.2 運動學分析 142
5.4 仿蝠鲼潛水器動力學模型 145
5.4.1 流體動力學分析 145
5.4.2 牛頓-歐拉動力學方程 151
5.5 數(shù)值計算方法 151
5.5.1 步態(tài)函數(shù)設(shè)計 151
5.5.2 逆動力學模擬 152
5.6 仿真結(jié)果與分析 154
5.7 本章小結(jié) 158
參考文獻 158
第6章 仿蝠鲼潛水器單體運動控制 159
6.1 引言 159
6.2 CPG相位振蕩器 160
6.2.1 相位振蕩器模型構(gòu)建 160
6.2.2 穩(wěn)態(tài)振動特性分析 165
6.2.3 CPG控制拓撲網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 170
6.2.4 游動姿態(tài)仿生控制 177
6.3 無模型控制 188
6.3.1 模糊閉環(huán)控制 188
6.3.2 運動相似優(yōu)化控制 193
6.4 基于模型的控制 203
6.4.1 關(guān)節(jié)空間控制 203
6.4.2 逆動力學控制 203
6.4.3 軌跡跟蹤 205
6.4.4 數(shù)值結(jié)果 208
6.5 本章小結(jié) 210
參考文獻 210
第7章 仿蝠鲼潛水器的能源系統(tǒng)設(shè)計及能源管控技術(shù) 212
7.1 引言 212
7.2 自主俘能系統(tǒng)設(shè)計 212
7.2.1 太陽能俘能技術(shù) 212
7.2.2 溫差能浮力驅(qū)動技術(shù) 216
7.2.3 仿蝠鲼潛水器的多模態(tài)運動與俘能協(xié)同匹配技術(shù) 221
7.3 柔性儲能系統(tǒng)設(shè)計 222
7.3.1 高性能柔性電極材料制備 222
7.3.2 柔性鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化 225
7.3.3 適配復雜異構(gòu)空間的柔性鋰電池技術(shù) 227
7.4 潛水器長時自持能源管理策略 229
7.4.1 多源能量分布式存儲技術(shù) 229
7.4.2 俘能-儲能系統(tǒng)能量自適應輸出策略 230
7.4.3 能源系統(tǒng)健康狀態(tài)評估與故障診斷 236
7.5 本章小結(jié) 242
參考文獻 243
第8章 仿蝠鲼潛水器樣機總體設(shè)計與實驗 244
8.1 引言 244
8.2 仿蝠鲼潛水器樣機總體設(shè)計技術(shù) 244
8.2.1 樣機總體設(shè)計技術(shù)簡述 244
8.2.2 仿生流體外形設(shè)計技術(shù) 245
8.2.3 多模態(tài)滑翔及泵噴推進系統(tǒng)設(shè)計 247
8.3 仿蝠鲼潛水器實驗 252
8.3.1 游動姿態(tài)仿生實驗 252
8.3.2 三維運動閉環(huán)實驗 263
8.4 本章小結(jié) 273
第9章 載荷擴展 274
9.1 引言 274
9.2 水下目標視覺感知 274
9.2.1 仿蝠鲼潛水器集群控制 275
9.2.2 珊瑚礁監(jiān)測 276
9.3 水質(zhì)監(jiān)測：水質(zhì)傳感器的集成與應用 278
9.4 深海環(huán)境聲吶探測 280
9.4.1 前視聲吶探測 280
9.4.2 側(cè)掃聲吶探測 282
9.5 本章小結(jié) 284