基于波浪能获取的机器鱼能源自给系统研究

【摘要】：随着社会的迅速发展,人类对于海洋资源的开发日益频繁。由于生理结构的限制,人类无法自行完成水下工作,因此只能依靠水下机器人来开展各项工作。然而,传统的推进方式制约了水下机器人的推进能力、效率以及机动性。因此,人们迫切需要寻找一种新的推进方式来推进水下机器人。鱼类经过上亿年的进化、演变,已与自然完美地融为一体,鱼类游动时其推进效率可达80%,且兼有出色的机动性能。因此仿照鱼类游动的推进方式研制仿生机器鱼具有重要意义。 水下机器人往往工作在海洋等野外环境中,人类无法为其补充能源,所以如何解决能源问题,成为水下机器人的一大难题。海洋蕴藏着取之不尽的波浪能源,通过机器人结构设计,以获取波浪能量,解决其能源问题也变得意义非凡。 本文以鲹科鱼类为蓝本,设计多关节仿生机器鱼,利用鱼体关节获取波浪能发电来解决机器鱼发展的能源瓶颈。主要研究内容如下： (一)机器鱼能源自给系统的结构设计研究。首先,根据实验室近年来的研究结果,对鲹科鱼类的内外结构以及推进方式进行了分析研究。研究结果表明,鲹科鱼类鱼体可近似看作为多旋转副链接而成的多体系统,鲹科鱼类正是依靠这样的多体系统波动来推进的。基于以上结果,提出了将机器鱼设计成多旋转关节的结构以提高推进效率,同时提出将关节设计成驱动-获能两用模式以解决机器鱼能源问题。接着对机器鱼两用多关节结构提出总体设计思路,给出了多关节仿生机器鱼设计的基本原则,提出了一些可供参考的具体方法,对机器鱼结构设计过程中的一些细节,如：机器鱼关节长度、比例等的确定方法,机器鱼沉浮的调节方法以及机器鱼的防水密封方法等作了研究。最后设计加工了多关节仿生机器鱼原型与获能测试关节模型。 (二)机器鱼能源自给系统的理论研究。基于势流理论与微幅波假设,结合边界条件,对微幅波浪的速度势函数与波形方程进行了求解,研究分析了流场中水质点的运动速度与轨迹规律,给出了流场中任意一点的压力以及水波所具有的能量。基于关节浮体单元在波浪中的受力,建立了浮体单元的动力学方程,对浮体单元在波浪中的运动进行了简要分析。对发电机的机电方程组进行了推导,并进行了适当简化。结合浮体单元的动力学方程与发电机的机电方程组,建立了两浮体单元的数学模型。(三)机器鱼能源自给系统的数值计算方法研究。对计算多体系统动力学进行了简要分析。根据两浮体单元的动力学模型,采用有限微元法对浮体单元进行划分,结合经典的计算多体系统动力学仿真软件ADAMS,对机器鱼能源自给系统进行了建模仿真分析。根据该建模方法对不同物理学场景进行了仿真分析测试。其中包括：静水中浮体在干扰力作用下的旋转运动场景；浮体自由下落冲击水面的直线运动场景；以及波浪中浮体的复合运动场景。对各场景仿真的计算结果进行了分析,并结合静水中浮体受干扰力作用运动实验以及波浪中浮体运动实验对仿真结果进行了验证。最后,基于该数值计算方法以及软件仿真功能,对波浪频率、波高等波浪特性参数及机器鱼关节长度、宽度、传动比、配重块位置等关节参数对机器鱼获能系统获能特性的影响进行了仿真计算分析。 (四)机器鱼能源自给系统的实验研究。对现有的常用造波系统进行了比较分析,根据势流理论对推板造波系统模型进行了计算研究。根据计算分析的结果,搭建了推板造波实验平台。根据机器鱼能源自给系统的设计思路,设计了机器鱼获能测试关节,并为关节配备了各类传感器,搭建了信号采集平台。基于造波实验平台与关节模型对关节的驱动性能及获能特性进行了实验研究。开展了电机克服流体阻力驱动关节摆动实验,确认了电机的转矩与摆速达到驱动技术要求。通过高速摄像机对测试关节在波浪中的运动进行摄像,根据摄像图形研究了获能单元在波浪中的运动情形。基于实验平台对给定波浪条件,给定结构参数的机器鱼获能关节的发电性能进行了综合测试,分析了关节为机器鱼能源系统充电的可行性。开展了对机器鱼电池组充电的实验研究,对充电电流、充电功率进行了研究分析。开展了波浪特性参数与关节结构参数对关节获能特性的影响研究,其中包括：波高、波浪频率、浮体单元长度、浮体单元宽度、关节传动比、配重块位置等。对各参数的影响进行了分析总结。 【关键词】：仿生机器鱼 多关节机器鱼 能源 能源自给 波浪能 波浪发电
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-12
• 图目录12-15
• 表目录15-16
• 第一章 绪论16-30
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 仿生机器鱼研究现状17-22
• 1.2.1 鱼类游动模式分类17-19
• 1.2.2 鱼类推进理论研究19
• 1.2.3 仿生机器鱼研究19-22
• 1.2.4 仿生机器鱼能源问题研究22
• 1.3 波浪能研究现状22-28
• 1.3.1 波浪能分布22-24
• 1.3.2 波浪装置研究24-28
• 1.4 主要研究内容28-30
• 第二章 机器鱼能源自给系统的结构设计30-44
• 2.1 引言30-31
• 2.2 鱼类仿生学研究基础31-33
• 2.2.1 鱼体的基本结构与功能31-32
• 2.2.2 鱼体的主要运动32-33
• 2.3 仿生机器鱼的机械结构设计与分析33-41
• 2.3.1 仿生机器鱼主体结构设计思路33-35
• 2.3.2 仿生机器鱼的细节设计35-40
• 2.3.3 仿生机器鱼实物模型40-41
• 2.4 本章小结41-44
• 第三章 机器鱼能源自给系统的理论研究44-58
• 3.1 引言44-45
• 3.2 势流理论45-47
• 3.2.1 势流的基本方程45-46
• 3.2.2 边界条件46-47
• 3.2.3 流场运动量的摄动展开47
• 3.3 微幅波理论47-54
• 3.3.1 波浪运动的基本方程与边界条件48-49
• 3.3.2 微幅波的速度势与波形49-50
• 3.3.3 水质点的运动50-52
• 3.3.4 波浪流场内各点压力52-53
• 3.3.5 水波的能量53-54
• 3.4 浮体动力学54-56
• 3.5 系统机电模型56-57
• 3.6 本章小结57-58
• 第四章 机器鱼能源自给系统的数值计算58-94
• 4.1 引言58-59
• 4.2 机器鱼能源自给系统的数值计算方法59-61
• 4.3 基于ADAMS软件的数值计算61-66
• 4.3.1 ADAMS宏命令简介62
• 4.3.2 利用宏命令进行数值计算的流程62-66
• 4.4 不同场景仿真计算66-77
• 4.4.1 静水中浮体67-73
• 4.4.2 波浪中浮体73-77
• 4.5 仿真结果与分析77-91
• 4.6 本章小结91-94
• 第五章 机器鱼能源自给系统获能的实验研究94-120
• 5.1 引言94
• 5.2 推板造波实验平台94-102
• 5.2.1 推板造波系统原理95-96
• 5.2.2 推板造波实验平台设计96-100
• 5.2.3 推板造波实验平台加工测试100-102
• 5.3 机器鱼获能关节模型102-104
• 5.4 信号采集平台104-107
• 5.5 实验研究107-117
• 5.5.1 机器鱼测试关节摆动速度测试107-108
• 5.5.2 机器鱼关节获能特性实验研究108-114
• 5.5.3 波浪参数与机器鱼关节参数对获能特性的影响实验研究114-117
• 5.6 本章小结117-120
• 第六章 总结与展望120-124
• 6.1 总结120-122
• 6.2 展望122-124
• 参考文献124-130
• 攻读博士学位期间发表的学术论文130-132
• 致谢132

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