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一种机器鱼的新型驱动机构设计及游速优化
| 论文题名： | 一种机器鱼的新型驱动机构设计及游速优化 |
| 关键词： | 仿生机器鱼;尾部驱动;游速优化;外壳设计;模拟试验 |
| 摘要： | 仿生机器鱼是水下机器人研究领域比较活跃的一个方向。在仿生机器鱼的研究中,直游速度是机器鱼的重要性能指标之一,研究发现,对于身体/尾鳍(Body and/or Caudal Fin, BCF)模式推进的机器鱼,尾部摆动频率、摆动幅度、尾鳍形状以及尾鳍柔韧性等是影响机器鱼游速的重要因素,其中摆动频率对游速的影响最为明显。本文从提高尾鳍摆动频率入手,设计了一款仿生机器鱼,将机器鱼尾部的摆动频率提高到了8Hz以上,显著提高了机器鱼的游速。主要内容如下: (1)设计了一种新型的仿生机器鱼尾部驱动机构,对重心位置和浮心位置的相互关系进行了评估,完成了外壳设计。通过分析机器鱼尾部运动规律对机构的要求,设计了一种将电机旋转运动转化为高频往复摆动的驱动机构。与此同时,通过修改机器鱼头部壳体的外形使得机器鱼的重心和浮心满足机器鱼在水中稳定游动的条件。所设计机构将机器鱼尾部的摆动频率提高到了8Hz以上,达到了设计要求。 (2)设计了机器鱼游速优化试验方案。本设计以尾鳍展弦比(AR)、尾鳍材料直径(D)、弹簧刚度(k)以及尾鳍摆动频率( f)等四个参数作为游速优化参数。在电机功率约束下,给出了参数分步优化的方案。首先,将参数空间划分为最大规则空间和剩余空间。其次,在最大规则空间内采用正交法进行试验,通过对采集到的数据的方差分析得出游速随参数变化的初步结论;最后,根据前述试验得出的结论,从剩余空间中选取有代表性的参数组合进行试验,与第一次试验结果比较,从而得出全局参数空间下机器鱼的最快游速。 (3)搭建了机器鱼游速优化水下试验平台。机器鱼游动速度的测量采用视频图像分析法,通过每秒在机器鱼游动视频中捕获一定数量的图片,计算出机器鱼在这些图片中变动的轨迹长度,并乘以图片对应实际长度的比例尺作为机器鱼的游速。摆动频率采用示波器间接测量电压的波动频率来获得。 (4)分析机器鱼水下试验结果,得到了全局参数空间下机器鱼的最快游速为870 mm/s,约为2.6BL(Body Length)/s,以及机器鱼在高频摆动下的游速优化规律。正交试验结果表明,弹簧刚度(k)和尾鳍摆动频率( f)对游速具有显著影响效果,而尾鳍材料直径(D)和尾鳍的展弦比(AR)对游速的影响效果随着尾部摆动频率的增加呈非线性变化。因此,在剩余空间中只选取了15种参数组合进行试验,获得机器鱼在现有参数空间下的最快游速。 |
| 作者： | 吕江 |
| 专业： | 机械电子工程 |
| 导师： | 谢广明;李宗刚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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