仿生机器人报告-仿生扑翼UUV

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1、仿生扑翼UUV研究现状分析摘要本文对一种新型扑翼UUV的研究现状做了分析。首先简要介绍扑翼UUV的产生背景和应用前景，然后对扑翼uuv进行了流体动力学分析、推进性能分析并对基于CPG的扑翼UUV运动控制方法进行了分析。通过流体动力学分析得到了关于扑翼UUV攻角和翼型对推进性能的影响，推进性能分析则得到了扑动频率、拍动幅度和翻转幅度对推进性能的影响。基于CPG的运动控制方法将CPG引入到UUV的控制中，简化了控制参数，可实现扑翼UUV的节律运动和转弯运动。关键词：仿生扑翼UUV流体动力学推进性能CPG1绪论1

2、.1仿生扑翼UUV产生背景无人水下航彳亍器(UnmannedUnderseaVehicle)的研究工作开始于20世纪中期，进入21世纪以來，由于人类对海洋资源开发、海洋环境研究的重视以及海洋在军事领域的重要作用，水下探测器的研究越來越受到重视。在过去的十年中，全世界大约冇60个UUV研制计划，并建造了大约200个UUV(大部分为实验用)，但是随着技术的成熟和近海工业发展的需要，商业用途的UUV也开始出现，并口在不断地发展和壮大。然而，以往的UUV均是以传统的螺旋桨做为推进动力。在自然界中，有一类依靠扑翼游动

3、的生物如海龟、企鹅等，他们的运动方式效率较高，而且机动灵活。仿生扑翼UUV是近几年提出的一种利用仿生扑翼作为推动力的新型UUV,正是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。1•2仿生扑翼UUV的特点仿生扑翼UUV的仿生对象是依靠扑翼进行运动的动物，他们具右爆发力强、机动性高、稳定性好等特点，对于游动和姿态的控制能力是目前任何水下设备无法模拟的。与传统的螺旋桨推进方式相比，水下扑翼UU

4、V具有以下特点：•良好的运动性能：仿生扑翼推进器可捉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。•流体性能更完善：海洋生物通过扑翼的划动产生推进力，具冇更理想的流体力学性能。•能源利用率高：仿生扑翼推进器可以大大节省能量，捉高能源利用率，延长航行器的水下作业时间。•噪声小：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。•推进器和舵的统一：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

5、构复杂的情况，实现桨一舵功能的合二为一。•可采用多种驱动方式：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。1・3仿生扑翼UUV的用途rtr于仿生扑翼uuv较传统uuv的优势，其用途更加广泛。•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、复杂的水下环境屮的救捞和维修•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1・4国内外研究现状美国的麻省

6、理工学院首先研制出了扑翼水下航行器(FlappingfoilAUV),装备了四个相同的扑翼驱动装置，呈前后左右分布，毎个扑翼由两个电机驱动，可实现两口由度的止弦摆动。采用实验证明了扑翼推进器较螺旋桨推进有更高的推进效率。之后，美国的Duke大学、NUWS(海军研究局)、加拿大的VASSAR大学分别进行了类似的研究。我国的扑翼UUV研究开始较晚，且主要集中在理论研究方面，中国科技大学的尹协振等对扑翼的流体动力特性进行了实验测量和数值模拟研究，西北工业大学的丁浩、张鹏、沈超等人对扑翼UUV的结构设计、流体动力学

7、特性以及基于CPG的运动控制方法进行了研究。2流体动力分析2.1扑翼流体动力学基本定义攻角(AngleofAttack):无穷來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來流方向的分量力，常用D表示水动力矩：水流作用在扑翼上的分布力相对于扑翼前缘的合力矩称为水动力矩,常用M表示。升力特性：计算扑翼升力的定义公式为訥。式中。为流体密度，/为來流速度，S为水翼平面面积，C为升力系数。影响升力特性的因了很多。，主要有来流

8、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：计算扑翼阻力的定义公式为7严。式屮C»为阻力系数，不包插兴波阻力时，典型的阻力特性也可用阻力系数与攻角©的关系曲线表示。其中，G包括粘性阻力系数6）和诱导阻力系数％。与边界曾特性密切相关，还与翼型厚度，拱度以及物面粗糙度冇关系。俯仰力矩特性：计算俯仰力矩的定义公式为M=c^^2c