仿人泪器的机器人视野清洁技术研究

【摘要】：近年来，随着监测项目的增多，对机器人的视觉要求也逐渐提高，但是由于海洋、湖泊环境的严重污染及水下杂物的存在，使得机器人的视觉系统很容易受到污染，从而影响观察效果，因此，需要一种能够进行清洗的装置。本课题在博士点基金的支持下，进行机器人视觉传感器视野自动清洁罩的设计并进行了相关结构的仿真分析与优化。 首先，在研究了大量的资料的基础上，本文依据人眼泪器的结构提出一种具有仿生特点的视觉传感器自动清洁装置的设计方案。通过分析人眼泪器的生理结构、工作原理及其神经控制系统，建立仿人眼泪器的视觉传感器清洗系统组成模型，该装置可以实现喷嘴阵列的俯仰和轴向偏转，从而对镜头罩上的污物目标区域产生不同的清洗效果。 其次，在分析三种空化喷嘴的结构形式及其性能的基础上，确定本论文所要研究的喷嘴类型即角形空化喷嘴。依据计算流体力学理论，通过GAMBIT和FLUENT软件对不同喷嘴进行数值模拟，选用多相流模型，得到各个角形喷嘴内部的压力和速度分布云图，压力和速度曲线图以及出口的速度值。分析其内部的射流速度、压力等的分布规律，得到角形空化喷嘴的各个几何参数（圆柱段长度、扩散段长度、扩散角）对喷嘴性能的影响，选出较优值，为设计更加合理的空化喷嘴提供依据。 然后，将iSIGHT与流体分析前处理软件GAMBIT和流体分析软件FLUENT进行集成，将GAMBIT和FLUENT中的数据导入到iSIGHT中，选用正交试验设计方法，以喷嘴的进口直径、收缩角、圆柱段直径、圆柱段长度、扩散段长度及扩散角为设计变量，确定设计变量对喷嘴空化压力及出口速度的主效应和帕累托贡献率；以喷嘴出口速度最大、产生的空化压力最小作为优化目标函数，选用可实现全局优化的非劣分层遗传算法-II（NSGA-II），对喷嘴的各个结构参数进行优化。 第四，对不同组合方式（不同的喷嘴数目，不同的喷嘴与被清洗表面之间的夹角，不同的喷嘴轴向偏角）的结构进行建模、划分网格、定义边界条件；然后用FLUENT进行仿真计算，通过对各仿真结果的对比分析，找出一种组合方式，使之既能达到较佳的清洗效果还可以减少能源的消耗。 最后，选择相应的实验仪器，对镜头进行除污实验，得出各种情况下的除污时间，便于以后的实际指导。 【关键词】：机器人 视野清洁 空化射流 FLUENT仿真 多目标优化
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP242;TB490
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 课题背景11-12
• 1.1.1 课题来源11
• 1.1.2 研究的目的与意义11-12
• 1.2 机器人及其视觉污染12-14
• 1.2.1 机器人应用前景12
• 1.2.2 机器人视觉污染12-14
• 1.3 清洗方式概述14-17
• 1.3.1 清洗技术的分类14-15
• 1.3.2 水射流的分类15-16
• 1.3.3 水射流清洗特点及清洗机理16-17
• 1.4 空化射流清洗17-19
• 1.4.1 空化理论17
• 1.4.2 空化的作用原理17-18
• 1.4.3 空化射流的应用18-19
• 1.5 淹没射流19-21
• 1.6 课题主要研究内容21-22
• 第2章 视觉传感器视野自动清洁罩结构的设计22-33
• 2.1 引言22
• 2.2 仿人眼泪器的清洗系统建模22-27
• 2.2.1 人眼泪器的生理结构及眼泪分泌系统22-23
• 2.2.2 神经调节及眼泪分泌系统模型23-24
• 2.2.3 仿人眼的清洗系统模型24-25
• 2.2.4 清洗装置总体结构设计25-27
• 2.3 密封方式的选择27-29
• 2.3.1 密封尺寸的设计28
• 2.3.2 O 形圈密封性能分析28-29
• 2.4 空化的相关计算29-32
• 2.4.1 空化初生动力判据29-30
• 2.4.2 空化泡破裂时的压力计算30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 空化喷嘴的选择及仿真分析33-50
• 3.1 引言33
• 3.2 喷嘴的选择33-38
• 3.2.1 喷嘴的类型33-34
• 3.2.2 喷嘴的主要参数34
• 3.2.3 常用的空化喷嘴的结构和性能34-36
• 3.2.4 三种空化喷嘴的仿真对比36-38
• 3.3 角形空化喷嘴的仿真前处理38-39
• 3.4 仿真设置与结果分析39-49
• 3.4.1 湍流模型的选择39
• 3.4.2 仿真参数的设定39-40
• 3.4.3 仿真计算与结果分析40-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 空化喷嘴的 iSIGHT 优化50-67
• 4.1 引言50
• 4.2 iSIGHT 集成 GAMBIT 和 FLUENT 优化喷嘴50-62
• 4.2.1 iSIGHT 软件介绍50-52
• 4.2.2 多目标优化问题52-54
• 4.2.3 iSIGHT 与 GAMBIT 和 FLUENT 的集成54-58
• 4.2.4 正交试验设计58-62
• 4.3 优化结果分析62-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第5章 组合喷嘴的仿真分析67-77
• 5.1 引言67
• 5.2 组合喷嘴内部流场的仿真分析67-76
• 5.2.1 流体控制方程67-69
• 5.2.2 喷嘴的射流仿真分析69-76
• 5.3 本章小结76-77
• 第6章 实验研究77-81
• 6.1 具体实验装置及实验布置77-78
• 6.2 实验过程及结果分析78-80
• 6.3 本章小结80-81
• 结论81-83
• 参考文献83-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果89-90
• 致谢90

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