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Bioinspired Closed-loop CPG-based Control of a Robotic Manta for Autonomous Swimming

Journal of Bionic Engineering 2024年第1期21卷 177-191页

作者： Yiwei Hao Yonghui Cao Yingzhuo Cao Xiong Mo qiaogao huang Lei Gong Guang Pan Yong Cao School of Marine Science and Technology Northwestern Polytechnical UniversityXi'an 710072China Unmanned Vehicle Innovation Center Ningbo Institute of NPUNingbo 315103China Key Laboratory of Unmanned Underwater Vehicle Technology of Ministry of Industry and Information Technology Xi'an 710072China

Fish in nature exhibit a variety of swimming modes such as forward swimming,backward swimming,turning,pitching,etc.,enabling them to swim in complex scenes such as coral reefs.It is still difficult for a robotic fish to swim autonomously in a confined area as a real fish.Here,we develop an untethered robotic manta as an experimental platform,which consists of two flexible pectoral fins and a tail fin,with three infrared sensors installed on the front,left,and right sides of the head to sense the surrounding obstacles.To generate multiple swimming modes of the robotic manta and online switching of different modes,we design a closed-loop Central Pattern Generator(CPG)controller based on distance information and use a combination of phase difference and amplitude of the CPG model to achieve stable and rapid adjustment of yaw angle.To verify the autonomous swimming ability of the robotic manta in complex scenes,we design an experimental scenario with a concave obstacle.The experimental results show that the robotic manta can achieve forward swimming,backward swimming,in situ turning within the concave obstacle,and finally exit from the area safely while relying on the perception of external obstacles,which can provide insight into the autonomous exploration of complex scenes by the biomimetic robotic fish.Finally,the swimming ability of the robotic manta is verified by field tests.

关键词： Biomimetic robotic manta Central Pattern Generator Closed-loop control Backward swimming

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不同厚度航行器高速入水冲击载荷及壳体变形特性

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空气动力学学报 2024年第2期42卷 111-125,I0002页

作者：赵海瑞施瑶潘光黄桥高刘晓娅西北工业大学航海学院西安710072 无人水下运载技术工信部重点实验室西安710072

航行器高速入水过程中,壳体受冲击载荷作用将产生大变形,而大变形又反过来影响航行体的受力状态。为了了解航行体结构受入水冲击的动态响应特性,基于结构化任意拉格朗日-欧拉(structured arbitrary Lagrange-Euler,S-ALE)算法研究了航... 详细信息

航行器高速入水过程中,壳体受冲击载荷作用将产生大变形,而大变形又反过来影响航行体的受力状态。为了了解航行体结构受入水冲击的动态响应特性,基于结构化任意拉格朗日-欧拉(structured arbitrary Lagrange-Euler,S-ALE)算法研究了航行器撞水阶段壳体所受冲击载荷与变形的关联性,获取了壳体变形模式,并分析了壳体厚度对变形的影响规律。结果表明:壳体内凹大变形将增大航行器所受法向载荷,载荷峰值的脉宽虽为“毫秒级”,但对壳体变形具有较大影响。入水速度较低时,壳体变形模式以弹性变形为主,变形区域在上凹和下凸间不断转换,增大壳厚,结构主要通过减小脉宽来抑制变形;入水速度较高时,壳体变形模式以塑性变形为主,依次出现内凹区、拉伸区和卷曲压缩区,随形变量增大,拉伸区不断扩张,而卷曲压缩区不断后移,其中内凹变形受斜入水影响向y+方向偏斜,而卷曲压缩区在壳厚较小时出现S形卷曲对,增大壳厚,结构主要通过减小峰值来抑制变形。航行器斜入水内凹变形非对称性的内在机理为弹性应变与塑性应变的叠加效应,当冲击能量不变时,增大壳厚提升了内凹区壳体对冲击能量的吸收能力,减小了拉伸和卷曲压缩形变量,此为总形变量随壳厚增加而减小的内在机理。本文得到的航行器入水载荷及变形结果,可为相关领域的研究提供参考与支持。

关键词：潜航器高速入水壳体厚度冲击载荷变形

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非正弦升沉运动对扑翼自主推进的影响

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西北工业大学学报 2022年第2期40卷 281-287页

作者：陈晓曹勇黄桥高潘光西北工业大学航海学院陕西西安710072 西北工业大学无人水下运载技术工信部重点实验室陕西西安710072

为了研究仿生推进机理以及仿生机器人,弥补非自主推进的局限性,采用数值方法耦合求解流体动力与扑翼运动,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,K作为波形调节参数使波形由三角波变为正弦波以及方波,数值模拟了2个频率-升沉幅值组合下... 详细信息

为了研究仿生推进机理以及仿生机器人,弥补非自主推进的局限性,采用数值方法耦合求解流体动力与扑翼运动,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,K作为波形调节参数使波形由三角波变为正弦波以及方波,数值模拟了2个频率-升沉幅值组合下非正弦升沉运动的自主推进性能,研究在静水中不同运动波形对自主推进速度、自主推进效率以及流场结构的影响。结果表明非正弦波形对自主推进运动影响很大,随着K的增大即越接近方波,速度振荡越剧烈,起动加速越快,前进位移与平均速度越大;随着K的减小,自主推进效率及能量利用率不断增大,研究结果对仿生水下航行器的设计有一定指导意义。

关键词：扑翼非正弦运动自主推进仿生推进数值模拟

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非正弦俯仰运动对扑翼自主推进的影响

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华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第4期50卷 96-101页

作者：陈晓黄桥高曹勇潘光西北工业大学航海学院陕西西安710072 西北工业大学无人水下运载技术工信部重点实验室陕西西安710072

采用数值仿真耦合求解流体动力方程与扑翼运动方程,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,数值模拟了非正弦俯仰运动下扑翼在前进方向及侧向的自主推进,研究在静水中不同运动波形及俯仰频率对自主推进速度、自主推进效率及流场结构的影... 详细信息

采用数值仿真耦合求解流体动力方程与扑翼运动方程,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,数值模拟了非正弦俯仰运动下扑翼在前进方向及侧向的自主推进,研究在静水中不同运动波形及俯仰频率对自主推进速度、自主推进效率及流场结构的影响.结果表明:非正弦波形调节参数K和俯仰频率对自主推进前进速度、前进距离影响很大,提高K或频率,可增大平均前进速度、前进距离与侧向位移,并在K=2.5的方波取得平均速度最大值,相较于正弦波运动提高70.3%;自主推进效率及能量利用率随着K的减小不断增大,高频时推进效率高,低频时能量利用率高.

关键词：俯仰运动非正弦波形自主推进数值模拟涡结构

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前置预旋定子泵喷推进器辐射噪声数值预报

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哈尔滨工程大学学报（英文版） 2023年第2期22卷 344-358页

作者：李晗黄桥高潘光 School of Marine Science and Technology Northwestern Polytechnical UniversityXi’an 710072China Key Laboratory of Unmanned Underwater Vehicle Northwestern Polytechnical UniversityXi’an 710072China

The requirement of low radiated noise is increasing for underwater propulsors as the noise significantly affecting the comfort and quietness of ships,submarines,and vessels.To broaden the view of noise characteristics of pump-jet propulsors(PJPs),this paper considers the radiated noise of a pre-swirl stator PJP with the effects of the advance coefficient and rotor rotational speed.Radiated noise is obtained by the“hybrid method”approach,which combines a hydrodynamic solver with a hydroacoustic solver.The turbulence flow is obtained through improved delayed detached eddy simulation(IDDES),which show good agreement with the experiment,including the performance and flow field.The solver precision,permeable surface size,and sampling frequency notably affect the noise calculation.The spectra of thrust fluctuation and radiated noise are characterized by the tonal phenomenon around the blade passing frequency and its harmonics.The spectrum of radiated noise and overall sound pressure level(OSPL)are considerably affected by both the advance coefficient and the rotor rotational speed.Overall,the numerical results and analysis given in this paper should be partly helpful in deepening the understanding of the radiated noise characteristics of PJPs.

关键词： Pump-jet propulsor Hydrodynamics Turbulence modeling Thrust fluctuation Radiated noise Pre-swirl stator

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泵喷推进器水动力及流场特性研究综述

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力学学报 2022年第4期54卷 829-843,I0001页

作者：李晗黄桥高潘光董新国西北工业大学航海学院西安710072 中国船舶及海洋工程设计研究院喷水推进技术重点实验室上海200011

泵喷推进器(简称泵喷)是一种多部件组合式水动力推进装置,由导管及导管内的旋转叶栅(转子)和静止叶栅(定子)组成,具有高临界航速、重载、高效率和低辐射噪声等特点,最早于20世纪中叶在国外出现,初期主要用于鱼雷推进,后拓展到潜艇推进,... 详细信息

泵喷推进器(简称泵喷)是一种多部件组合式水动力推进装置,由导管及导管内的旋转叶栅(转子)和静止叶栅(定子)组成,具有高临界航速、重载、高效率和低辐射噪声等特点,最早于20世纪中叶在国外出现,初期主要用于鱼雷推进,后拓展到潜艇推进,目前国外潜艇、高速鱼雷普遍采用泵喷推进,国内外泵喷的研究和应用存在巨大差异.近年来,因国外技术封锁、潜艇装备发展需求和拓展泵喷应用等,泵喷推进技术成为水下装备领域的研究热点.泵喷各部件间流场相互作用复杂、与航行体耦合程度高,其应用和推广需要对其水动力和流场特性的深入认识.本文介绍了泵喷的基本构成和特点,按方向和目的总结了泵喷的水动力和流场特性研究现状.从水动力特性的角度,介绍了泵喷推进器的推进特性、预报方法和水动力变化规律.从流场特性角度,介绍了间隙流场、转-定子干扰流场和尾流场等.分析并总结了泵喷水动力和流场特性的研究以及实际应用中所面临的主要挑战,提出对未来研究的展望.

关键词：泵喷推进器水动力流场特性

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定子预旋角对泵喷推进器敞水脉动特性影响

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哈尔滨工业大学学报 2022年第12期54卷 46-54页

作者：李福正黄桥高潘光秦登辉西北工业大学航海学院西安710072 无人水下运载技术工业和信息化部重点实验室(西北工业大学) 西安710072

为改善某泵喷推进器(简称泵喷)低频压力脉动,降低泵喷噪声辐射,在原有泵喷基础上分别调整定子进流角、出流角及安装角,并数值分析了前置泵喷一定范围内定子预旋角下的性能。分析表明:推力、扭矩和最高效率都随预旋角增大而增大,其中安... 详细信息

为改善某泵喷推进器(简称泵喷)低频压力脉动,降低泵喷噪声辐射,在原有泵喷基础上分别调整定子进流角、出流角及安装角,并数值分析了前置泵喷一定范围内定子预旋角下的性能。分析表明:推力、扭矩和最高效率都随预旋角增大而增大,其中安装角影响最大,出流角次之,进流角最小;分析桨叶推力脉动频域结果,发现单叶片推力脉动受定子影响,其对应频率主要为BPF_(s)(定子叶频)倍频,并在1BPF_(s)最大;而桨叶总推力脉动频率受定子和转子共同影响,在4BPF_(r)达到最大。通过分析叶片表面压力标准差,发现桨脉动最强位置为前缘及叶梢附近,而定子则位于后缘;进一步分析定子和转子周围监测点压力脉动特性,得到主要频率信息为1BPF_(r),并且在泵喷尾部中高半径处脉动最强。结果表明,泵喷低频脉动幅度随角度增加而增加,但角度调整方式对其影响规律在正、负角不同;此外,探究了桨叶前缘同一轴向、不同径向位置的相位关系,出流角和安装角对相位影响较大,并且相位关系依预旋角正、负分别呈两极化分布。

关键词：泵喷推进器预旋角安装角进流角出流角压力脉动相位关系

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高频同相扰动信号对升沉扑翼水动力性能影响

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华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第4期50卷 124-130页

作者：高鹏骋黄桥高潘光赵嘉祯西北工业大学航海学院陕西西安710072 西北工业大学无人水下运载技术工信部重点实验室陕西西安710072

为探究外界输入正弦扰动信号对升沉扑翼推进性能和尾涡结构的影响,采用数值模拟方法研究了在一个升沉扑翼的基础正弦输入信号中加入高频同相正弦扰动.数值计算结果表明:在大多数情况下,引入扰动增加了轴向推力,尤其是当基频为0.50 Hz时... 详细信息

为探究外界输入正弦扰动信号对升沉扑翼推进性能和尾涡结构的影响,采用数值模拟方法研究了在一个升沉扑翼的基础正弦输入信号中加入高频同相正弦扰动.数值计算结果表明:在大多数情况下,引入扰动增加了轴向推力,尤其是当基频为0.50 Hz时,外加12 Hz扰频促使轴向推力增加至原来的843.5%.计算结果证实:仅在基频较低的情况下,升沉扑翼能拥有良好的推进效率,随着基频或扰频的增大,扑翼推进效率均呈下降趋势.结果表明:当最低基频为0.50 Hz时,随着扰频的增加,尾涡结构在扰频为4 Hz情况下开始由无明显涡脱落模式转换为2S模式;当基频为0.75 Hz时,尾涡结构随着扰频的增加由2P模型转换为2S模式;在1.00,1.25,1.50,1.75 Hz基频情况下,尾涡结构随着扰频的增加由2S模式变得杂乱.

关键词：升沉扑翼正弦扰动推力性能推进效率尾涡结构

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前置泵喷推进器叶片数对水动力及空化性能的影响研究

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中国造船 2022年第3期63卷 191-204页

作者：李福正黄桥高潘光吴必霖西北工业大学航海学院西安710072 西北工业大学无人水下运载技术工信部重点实验室西安710072

为降低泵喷推进器(简称泵喷)的谐频作用,改善其噪声性能。针对某前置泵喷,采用RNG k-ε双方程湍流模型探究了叶片数对泵喷敞水性能和脉动性能的影响。结果发现,泵喷推力和扭矩与叶片数呈正相关,效率基本保持不变;单转子的推力脉动受定... 详细信息

为降低泵喷推进器(简称泵喷)的谐频作用,改善其噪声性能。针对某前置泵喷,采用RNG k-ε双方程湍流模型探究了叶片数对泵喷敞水性能和脉动性能的影响。结果发现,泵喷推力和扭矩与叶片数呈正相关,效率基本保持不变;单转子的推力脉动受定子干扰,转子总推力的脉动频率主要分布在桨叶的倍叶频处。此外,结合密度修正的RNG k-ε模型,采用ZGB空化模型研究了空化数σ对泵喷空化性能的影响。结果表明,随着σ的提高,桨叶从全空化转变到叶片局部和叶梢空化,再转变到仅有叶梢小部分空化;对比σ=3时不同转子叶片数N的空化性能,发现叶片表面空化面积随转子叶片数的增加而增大,但空化体积却减小。

关键词：泵喷推进器叶片数盘面比推力脉动空化数

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柔性扑翼水动力特性试验研究

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华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第1期50卷 144-148页

作者：高鹏骋黄桥高潘光赵嘉祯西北工业大学航海学院陕西西安710072 西北工业大学无人水下运载技术工信部重点实验室陕西西安710072

为探究扑翼自身刚度和运动参数对其水动力特性的影响,依托仿生扑翼推进试验平台,实现扑翼的俯仰-升沉结合运动.使用六轴力/力矩传感器记录扑翼运动过程中的力学参数,同时利用高速相机记录扑翼运动情况;对力学数据进行均值化及归一化处... 详细信息

为探究扑翼自身刚度和运动参数对其水动力特性的影响,依托仿生扑翼推进试验平台,实现扑翼的俯仰-升沉结合运动.使用六轴力/力矩传感器记录扑翼运动过程中的力学参数,同时利用高速相机记录扑翼运动情况;对力学数据进行均值化及归一化处理得出扑翼水动力特性随刚度及运动参数的变化规律;对图像进行处理,绘制出扑翼尾端点运动轨迹.试验结果表明:低刚度扑翼在低频下推力表现优异;扑翼刚度对推力稳定性起着重要作用;扑翼运动轨迹随着刚度增加,从杂乱无章演变为8字形,最终演变为弧线形.

关键词：柔性扑翼水动力特性运动参数推力稳定性运动轨迹

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