仿生扑翼UUV.

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1、仿生扑翼UUV设计 李明扬 21130911025 王恒良 21130911026 l水下扑翼UUV简介 l水下扑翼国内外发展状况 l水下扑翼UUV结构设计 仿生扑翼UUV设计 1 2 l扑翼UUV流体动力分析 l扑翼UUV推进性能分析 l基于CPG的扑翼UUV控制方法 仿生扑翼UUV简介 UUV (Unmanned Underwater Vehicle) 仿生扑翼UUV以海龟等扑翼游动生物为仿生 对象，依靠扑翼推进结构为其提供动力实现整个 UUV在水下的各种运动，包括上浮、下潜、转弯 等，具有推进效率高、稳定性强、机动性及操纵 性好等优点。 仿生扑翼UUV应用背景 目前国内外的UUV 大多采

2、用传统的螺旋桨推进器 ，尽管螺旋桨推进器已经在船舶领域取得广泛的 应用，但是采用螺旋桨推进器的水下航行器在操 纵性方面和低速运动方面存在性能不高的问题。 在海洋科学考察中考虑到海底地形复杂，存在暗 流、浪、涌的区域，以及要完成海洋参数的测量 ，海地信息的调查和定点作业等任务，采用传统 的螺旋桨推进器方式已经无法满足这种应用的要 求。 特点：（与传统螺旋桨推进方式相比 ） 1.1.良好的运动性能良好的运动性能 2.2.流体性能更完善流体性能更完善 3.3.能源利用率高能源利用率高 仿生扑翼推进器可提高水下航行器的起动、 加速和转向性能，在低速条件下保持高机动 性和稳定性。 海洋生物通过扑翼的划动

3、产生推进力，具 有更理想的流体力学性能。 仿生扑翼推进器可以大大节省能量，提高能 源利用率，延长航行器的水下作业时间。 特点：（与传统螺旋桨推进方式相比 ） 4.4.噪音小噪音小 5.5.推进器和舵的统一推进器和舵的统一 6.6.可采用多种驱动方式可采用多种驱动方式 仿生扑翼推进器运行期间的噪音比螺旋桨运行 期间的噪音要低得多，不易被对方声纳发现 或识别，有利于突防，具有重要的军事价值。 仿生扑翼推进器的应用将改变目前螺旋桨和 舵机系统分开，功能单一，结构庞大，机构 复杂的情况，实现桨一舵功能的合二为一。 仿生扑翼推进器可采用机械驱动，也可以采 用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式 ；对于微

4、小型水下运动装置，可采用形状记 忆合金、人造合成肌肉以及压电陶瓷等多种 驱动元件。 仿生扑翼UUV用途： 可以进行生化探测与环境监测，进入生化 禁区执行任务 可以在危险、狭窄、复杂的水下环境中的 救捞和维修 可以进行海底管道检测和海底电缆铺设 军事上实现侦察、巡逻、突袭、信号干扰 等。 国内外发展现状 1 、麻省理工大学的扑翼水下航行器 AUV装备了四个相同的扑翼驱动装置，呈前后左右对称布 置。每个驱动装置通过两个直流电机带动扑翼作两自由度 的正弦摆动，从而实现扑翼的划水动作。 Flapping foil UUV 2、美国Duke大学的x形扑翼水下航行器 Duke大学的学生AUV小组设计了一种

5、采用X形布置的柔性 扑翼推进水下航行器。4个推进器呈X形的布置方式下，航 行器能够获得较好的水动力性能，从而产生较强的机动性 可以有效地调整和控制深度、航向、位置和速度等运动参 数。 国外发展现状 3、美国NUWC研制的仿生扑翼水下航行器 美国NUWC(海军研究局)先后研制了3台采用扑翼装置驱 动的仿生水下航行器，在载体前后两端各布置了3只仿生 翼板，每一只翼板都可以单独完成持续的大幅度扑动和扭 转运动。这台AUV的开发目的是为了取代槽道螺旋桨推进 器以实现悬停定位操作。 国外发展现状 4、加拿大的仿生水下移动平台 2004年加拿大VASSAR大学生物认知科学和多学科仿生机器 人实验室成功研制

6、了一种新型仿生水下移动平台。该移动 平台在推进方式上相比传统水下航行器有着本质的区别， 在水中通过摆动四个翼板达到灵活机动的目的。 国外发展现状 国内研究现状 国内有关仿生扑翼驱动系统的研究起步相对较晚 ，并多见于仿生扑翼飞行器研究领域。 西北工业大学、南京航空航天大学、扬州大学扑 翼飞行器研究。 哈尔滨工程大学机器鱼胸鳍水动力研究。 上海交通大学开展了四足两栖仿生机器龟的研究 工作，在扑翼驱动装置设计上采用连杆机构来实 现。 仿生扑翼UUV结构设计 海龟前肢扑翼运动模式 扑翼推进结构设计 推动结构运动仿真 1 2 3 海龟前肢扑翼运动模式 海龟在水中游动时，主要依靠前肢划水产生推力 ，而后肢

7、只起到舵的作用。 3种基本的前进游动方式：水平直线运动、转向运 动和升沉运动。后两个运动可在直线运动的基础 上，左右前肢拍水频率和幅度不一，同时配合后 肢而做出。 仿生扑翼推进机构设计 *二自由度扑翼推进机构简图 *在CAD 软件UG 虚拟环境下设计的二自 由度扑翼推进机构虚拟装配图。 推进机构运动仿真 一、两驱动函数均为余弦函数时推进机构运 动仿真 将装配好的机构三维模型转换和导入到ADAMS/View 环境 中，对机构几何模型特征进行修改并添加运动约束建立起机 构的运动模型，然后通过ADAMS/Solver 求解程序对运动模 型进行运动仿真分析。 考虑到机构的初始位置及扑翼姿态，将两个电机

8、运动函数 分别定义为/3cos( 2t) 和/4cos( 2t) ，仿真结束时间设 为2 s，步数设为100。 一个周期内扑翼模型运动各时刻姿态 在仿真环境中，扑翼绕地面坐标系y 轴运动为扑翼拍水运 动，绕扑翼连体坐标系z 轴运动为扑翼翻转运动 图a) 和图b) 分别为扑翼相对于地面坐标系y 轴和z 轴的角 速度及角加速度曲线 由于扑翼绕z 轴运动为扑翼相对自身翼轴运动和扑翼拍水 运动的叠加，所以出现了非正弦波动，但角速度及角加速 度的值仍然在可以接受的范围内波动 二、翻转函数改为STEP 函数后的机构运动 仿真 第一种所仿真的这种扑翼运动方式与海龟实际扑翼运动的 方式并不相同，为了在二自由度

9、上模拟海龟实际的前肢扑翼 运动方式，可以将控制模型扑翼翻转的驱动重新定义，用 ADAMS 提供的函数构造器中的STEP 函数来完成12， 定义控制扑翼翻转的运动函数为 STEP( t，0. 4，0. 785，0. 5， 0. 785) + STEP( t，0. 9 ，0，1， 0. 785) 从左到右依次是下拍、上挥和一个完整周 期内扑翼模型各个位置的姿态 这种扑翼运动模式对拍水运动的加速度和角加速 度没有影响，但是，扑翼翻转的角加速度出现了 很大的突变，峰值超过48 rad /s2，如此大的角 加速度意味着如果用电机驱动扑翼翻转，那么在 扑翼翻转瞬间需要电机提供非常大的扭矩及转速 ，这样就会

10、增加电机的尺寸和整个机构的尺寸及 重量。 l水下扑翼UUV简介 l水下扑翼国内外发展状况 l水下扑翼UUV结构设计 仿生扑翼UUV设计 1 l扑翼UUV流体动力分析 l扑翼UUV推进性能分析 l基于CPG的扑翼UUV控制方法 2 水下仿生扑翼UUV 流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法 1 2 3 流体动力分析 攻角的影响 翼型的影响 扑翼流体动力定义 攻角：无穷来流与翼弦的交角称为扑翼几 何攻角 水动升力：水流作用在扑翼上的合力在垂 直于来流方向的分量，常用L表示 水动阻力：水流作用在扑翼上的合力在平 行于来流方向的分量力，常用D表示 水动力矩：水流作用在扑翼上的分布力相 对

11、于扑翼前缘的合力矩称为水动力矩，常 用M表示。 攻角（angle of attack） 升力特性 计算扑翼升力的定义公式 式中 为流体密度， 为来流速度，S为水 翼平面面积，C为升力系数。影响升力特性 的因子很多。，主要有来流攻角 、来流雷 诺数Re、水翼弦长等。其中攻角对升力系 数的影响最大，典型的升力特性常用升力 系数C对攻角 的关系曲线(升力曲线)表示。 阻力特性 俯仰力矩特性 CFD和Fluent简介 CFD:计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics) ,它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法， 对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析

12、 研究，以解决各种实际问题。 Fluent:用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的 复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛 技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。 灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的 物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学 反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、 材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。 攻角与升力系数关系 攻角与阻力系数关系 攻角与俯仰力矩关系 仿真结果分析 1)仿生扑翼UUV的流场计算稳定收敛，说 明了本文研究方法的可行性以及流体动力 数值计算结果的合理性； 2)仿生扑翼UUV的流体动力在小

13、攻角(06 度)下呈线性变化，这和传统的UUV的流体 动力特性一致，但在大攻角下(大于6度)出 现非线性特征。 不同翼型的水动力特性 不同翼型 运动中心 位置 扑动 频率 来流 速度 对翼型的流体力学仿真研究 翼型介绍 NACA：美国国家航空咨询委员会 NACA四位数字翼型 ：NACA XYZZ X-相对弯度：中弧线到弦的最大距离 Y-最大弯度位置 ZZ相对厚度：翼型最大厚度与弦长之比 例如，NACA 2412表示翼型的相对弯度为2%， 最大弯度位置在弦长的0. 4，相对厚度为12% 扑翼运动方程 斯德鲁哈数 St用来定义扑翼扑动速度相对于来流速度的 大小，表达式为 其中，f为扑动频率，h为扑

14、动最高点到最低 点的扑动距离（也称扑动幅度）。 国外研究机构的实验发现，扑翼运动最高 推进效率时满足0.2St0.4 运动中心位置的影响 扑翼在运动时，需要绕翼板上的某点进行 翻转运动和上下拍水运动，该点的位置即 为扑翼的运动中心 运动中心位置的影响 不同翼型的水动力特性 不同翼型 运动中心 位置 扑动 频率 来流 速度 不同扑动频率时各翼型特性 不同扑动频率时各翼型特性 不同扑动频率时各翼型特性 不同扑动频率时各翼型特性 不同扑动频率时各翼型特性 不同扑动频率时各翼型特性 不同翼型的水动力特性 不同翼型 运动中心 位置 扑动 频率 来流 速度 不同来流速度时各翼型特性 不同来流速度时各翼型特

15、性 不同来流速度时各翼型特性 不同来流速度时各翼型特性 不同来流速度时各翼型特性 不同来流速度时各翼型特性 结论 水下仿生扑翼UUV 流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法 1 2 3 推进性能分析 选用NACA0010翼型的刚性扑翼，弦长 c=100mm 来流速度U=0.1m/s，上下拍动幅度 y0=0.03m，翻转幅度为30，得到推力系数 随时间变化曲线 流场速度矢量图 流场速度矢量图 卡门涡街 流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥 离，形成交替的涡流。 这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬 间速度不同。流体速度不同，阻流体两侧 受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发 生振动。 推力的产生 前缘涡和尾涡在脱离扑翼后都形成逆卡门涡 街，从而对扑翼产生推力。 扑翼推力的变化频率是扑翼扑动频率的2倍 ，且产生了2个推力峰值和两个阻力峰值， 由于推力峰值大于阻力峰值，产生了推力。 推进特性与扑动频率关系 推力随扑翼拍动频率的增加成平方倍的增 加，但推进效率存在一个最佳值点 推进特性与拍动幅值关系 推进特性与上下翻转幅度关系 水下仿生扑翼UUV 流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法 1 2 3 CPG控制模型 CPG控制模型 CPG模型输出特性 直游 左转弯 右转弯 Thank You!