仿生扑翼UUV

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。
Flapping foil UUV
国外发展现状
• 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。
特点：（与传统螺旋桨推进方式相比）
1.良好的运动性能
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。
2.流体性能更完善
海洋生物通过扑翼的划动产生推进力，具 有更理想的流体力学性能。
3.能源利用率高
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。
• 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
• 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 St fh / U • 其中，f为扑动频率，h为扑动最高点到最低 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0.2<St<0.4
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
St 2r0.7max f / U
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
X oc x0 / c
运动中心位置的影响
不同翼型的水动力特性
运动中心 位置
不同翼型
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
运动中心 位置
不同翼型
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
仿生扑翼UUV设计
1
水下扑翼UUV简介 水下扑翼国内外发展状况 水下扑翼UUV结构设计
扑翼UUV流体动力分析
2
扑翼UUV推进性能分析 基于CPG的扑翼UUV控制方法
水下仿生扑翼UUV
1
流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
不同翼型的水动力特性
运动中心 位置
不同翼型
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
特点：（与传统螺旋桨推进方式相比）
4.噪音小
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。
5.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设计
李明扬 21130911025
王恒良 21130911026
仿生扑翼UUV设计
1
水下扑翼UUV简介 水下扑翼国内外发展状况 水下扑翼UUV结构设计
扑翼UUV流体动力分析
2
扑翼UUV推进性能分析 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
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，将两个电机运动函数 分别定义为π /3cos( 2π t) 和π /4cos( 2π t) ，仿真结束时 间设为2 s，步数设为100。
• 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）
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)
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 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
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 /s^2，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 ，这样就会增加电机的尺寸和整个机构的尺寸及 重量。
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。
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。
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
1
流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法
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!
升力特性
1 2 • 计算扑翼升力的定义公式 L CL 2 U S U 为来流速度，S为水 • 式中 为流体密度，
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。
仿生扑翼UUV结构设计
1
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
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。
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的流体动力在小攻角(0～6 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。
6.可采用多种驱动方式
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。
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
1
流体动力分析 推进性能分析 基于CPG的运动控制方法
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
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。
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。