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Effect of Spanwise Flexibility on Propulsion Performance of a Flapping Hydrofoil at Low Reynolds Number

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2012年第1期25卷 12-19页

作者： BI Shusheng cai yueri Robotics Institute Beihang UniversityBeijing 100191China

Spanwise flexibility is a key factor influencing propulsion performance of pectoral foils. Performances of bionic fish with oscillating pectoral foils can be enhanced by properly selecting the spanwise flexibility. The influence law of spanwise flexibility on thrust generation and propulsion efficiency of a rectangular hydro-foil is discussed. Series foils constructed by the two-component silicon rubber are developed. NACA0015 shape of chordwise cross-section is employed. The foils are strengthened by fin rays of different rigidity to realize variant spanwise rigidity and almost the same chordwise flexibility. Experiments on a towing platform developed are carried out at low Reynolds numbers of 10 000, 15 000, and 20 000 and Strouhal numbers from 0.1 to 1. The following experimental results are achieved: (1) The average forward thrust increases with the St number increased; (2) Certain degree of spanwise flexibility is beneficial to the forward thrust generation, but the thrust gap is not large for the fins of different spanwise rigidity; (3) The fin of the maximal spanwise flexibility owns the highest propulsion efficiency; (4) Effect of the Reynolds number on the propulsion efficiency is significant. The experimental results can be utilized as a reference in deciding the spanwise flexibility of bionic pectoral fins in designing of robotic fish prototype propelled by flapping-wing.

关键词： spanwise flexibility flapping motion thrust generation propulsion efficiency low Reynolds number

Design and Experiments of a Robotic Fish Imitating Cow-Nosed Ray

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Journal of Bionic Engineering 2010年第2期7卷 120-126页

作者： yueri cai,Shusheng Bi,Licheng Zheng Robotics Institute,Beihang University,Beijing 100191,P.R.China Robotics Institute Beihang University Beijing P. R. China

The cow-nosed ray is studied as natural sample of a flapping-foil robotic fish.Body structure, motion discipline, and dynamicfoil deformation of cow-nosed ray are analyzed.Based on the analysis results, a robotic fish imitating cow-nosed ray,named Robo-ray Ⅱ, mainly composed of soft body, flexible ribs and pneumatic artificial muscles, is developed.Structure andswimming morphology of the robotic prototype are as that of a normal cow-nosed ray in nature.Key propulsion parameters ofRobo-ray Ⅱ at normal conditions, including the St Number at linear swimming, thrust coefficient at towing are studied throughexperiments.The suitable driving parameters are confirmed considering the efficiency and swimming velocity.Swimmingvelocity of 0.16 m·s’and thrust coefficient of 0.56 in maximum are achieved in experiments.

关键词： robotic fish cow-nosed ray flexible structure St Number thrust coefficient

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胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究进展

机械工程学报 2011年第19期47卷 30-37页

作者：蔡月日毕树生北京航空航天大学机器人研究所北京100191

胸鳍摆动推进模式鱼类兼具高机动性、高效率和较高运动速度等优势特征,以此种鱼类为自然原型构建仿生机器鱼成为水下机器人研究领域的一个热点问题。通过对牛鼻鲼生物学研究成果的总结和实地观测分析,得出胸鳍摆动推进模式鱼类的典型身... 详细信息

胸鳍摆动推进模式鱼类兼具高机动性、高效率和较高运动速度等优势特征,以此种鱼类为自然原型构建仿生机器鱼成为水下机器人研究领域的一个热点问题。通过对牛鼻鲼生物学研究成果的总结和实地观测分析,得出胸鳍摆动推进模式鱼类的典型身体结构特征和运动变形规律。系统总结胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究领域中摆动胸鳍功能单元理论和试验研究情况以及仿生鱼样机构建的国内外研究现状。着重介绍研究小组在胸鳍摆动推进仿生鱼研究中所取得的阶段性成果,并在游动速度方面与本领域内的其他样机进行对比。通过对当前胸鳍摆动推进仿生鱼研究成果进行分析,得出现有仿生样机与自然原型存在差距的主要原因。随着研究的不断深入,胸鳍摆动推进仿生鱼样机性能与自然原型之间的差距必将逐渐缩小,实际应用前景广阔。

关键词：仿生学仿生机器鱼胸鳍摆动推进

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胸鳍扑翼式机器鱼的设计及水动力实验

北京航空航天大学学报 2011年第3期37卷 344-350页

作者：高俊毕树生李吉蔡月日北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

提出了一种基于胸鳍拍动推进的仿生机器鱼的设计模型,并对其进行了水动力实验研究.首先根据仿生对象的胸鳍运动和结构特点设计了由直流伺服电机驱动的扑翼式机器鱼,然后设计了推力测试实验装置,在北京航空航天大学机器人所的低速水洞中... 详细信息

提出了一种基于胸鳍拍动推进的仿生机器鱼的设计模型,并对其进行了水动力实验研究.首先根据仿生对象的胸鳍运动和结构特点设计了由直流伺服电机驱动的扑翼式机器鱼,然后设计了推力测试实验装置,在北京航空航天大学机器人所的低速水洞中完成了机器鱼的推力和功耗测试实验,获得了推力系数和效率随Sr(斯特劳哈尔数)变化的曲线.实验结果表明最大推力系数和效率都在Sr=0.4时达到,该结果与前人关于游动和飞行生物保持高效推进时Sr的范围一致.机器鱼的自由航行实验进一步验证了水洞测力实验结果,最大航行速度可达0.64m/s,约1.5倍身长比,相比国内外的同类仿生机器鱼具有较大的速度优势.实验结果表明:该仿生设计模型可以很好地模拟牛鼻鲼的推进方式,较大提高胸鳍扑翼式机器鱼的速度,为仿生水下航行器的设计提供了一种思路.

关键词：仿生机器鱼推进

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胸鳍摆动推进模式机器鱼深度控制

北京航空航天大学学报 2015年第5期41卷 885-890页

作者：马宏伟毕树生蔡月日牛传猛北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

提出一种基于专家PID和模糊控制的双闭环深度控制方法,用于实现胸鳍摆动推进模式机器鱼的定深控制.通过控制机器鱼的尾舵摆动角度,可以使机器鱼产生一定的俯仰力矩,从而改变机器鱼的俯仰姿态,实现上浮或下潜运动.给出了机器鱼的相关定... 详细信息

提出一种基于专家PID和模糊控制的双闭环深度控制方法,用于实现胸鳍摆动推进模式机器鱼的定深控制.通过控制机器鱼的尾舵摆动角度,可以使机器鱼产生一定的俯仰力矩,从而改变机器鱼的俯仰姿态,实现上浮或下潜运动.给出了机器鱼的相关定深实验,并分析了不同目标深度下俯仰角度初始变化范围存在差异的原因.实验结果表明:本文提出的定深控制方法能够使机器鱼比较准确地稳定在目标深度,以及能够改善机器鱼到达目标深度后稳态游动时的俯仰稳定性,能够较好地实现机器鱼的深度控制.

关键词：仿生机器鱼摆动推进模糊控制深度控制俯仰稳定

基于SIFT,K-Means和LDA的图像检索算法

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北京航空航天大学学报 2014年第9期40卷 1317-1322页

作者：汪宇雷毕树生孙明磊蔡月日北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

图像检索一直是信息检索领域的难题.提出了一种基于尺度不变特征变换(SIFT,Scale Invariant Feature Transform),K-Means和潜在狄利克雷分布(LDA,Latent Dirichlet Allocation)的图像检索算法.算法主要分为两个阶段.预备工作得到分类完... 详细信息

图像检索一直是信息检索领域的难题.提出了一种基于尺度不变特征变换(SIFT,Scale Invariant Feature Transform),K-Means和潜在狄利克雷分布(LDA,Latent Dirichlet Allocation)的图像检索算法.算法主要分为两个阶段.预备工作得到分类完成的图库、概率分配参数表和基本词库;实现检索是在预备工作的基础上归类测试图片,然后在该类下搜索最相似图片.对比传统的基于文本或内容的检索方法,该算法在检索之前将图片库中所有图片按其本身特征进行自动分类,取代人工标注图像信息的过程,同时由于整个算法完全基于图像特征,故此方法不会引入人工因素的干扰.实验结果表明,该算法能够较为准确地将要检索的图片归为图片库对应的类别中,有效地提高图像检索效率.

关键词：尺度不变特征变换(SIFT) K-Means 潜在狄利克雷分布(LDA) 基于内容的图像检索图像匹配

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胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制

北京航空航天大学学报 2015年第11期41卷 2184-2190页

作者：宫昭蔡月日毕树生马宏伟北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制研究的实际需求,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)的模糊控制方法.通过模仿生物原型的胸鳍摆动规律,得到一种可以驱动机器鱼滚转运动的胸鳍摆动方式,并通过定义相关参数将其量化表达.基于胸鳍摆动... 详细信息

针对胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制研究的实际需求,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)的模糊控制方法.通过模仿生物原型的胸鳍摆动规律,得到一种可以驱动机器鱼滚转运动的胸鳍摆动方式,并通过定义相关参数将其量化表达.基于胸鳍摆动CPG模型,建立模糊控制器,用于机器鱼的滚转机动控制.进行了机器鱼的滚转运动实验并对实验结果进行了详细分析.实验结果表明,机器鱼能以最快10(°)/s的角速度达到目标滚转角度,而且稳态误差不超过±5°.通过滚转机动控制,并配合航向控制,实现了胸鳍摆动推进的机器鱼以90°滚转角穿越宽度为翼展1/2的狭窄空间的高机动性运动.

关键词：仿生机器鱼摆动推进中枢模式发生器(CPG)控制模糊控制滚转机动

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仿蝠鲼机器鱼软体胸鳍建模与仿真

机械工程学报 2020年第19期56卷 182-190页

作者：陈令坤乔涛毕树生任行伟蔡月日北京航空航天大学机器人研究所北京100191 中国科学院空天信息创新研究院北京100094

介绍一种仿蝠鲼机器鱼上使用的软体胸鳍推进器,具有三维立体翼型并集成多个软体致动单元,具备更高形态及运动仿生度。分析提取了生物原型翼缘曲线并建立扑翼运动学模型,解耦描述胸鳍俯仰-摆转复合运动模式;对比了不同致动器数量的软体... 详细信息

介绍一种仿蝠鲼机器鱼上使用的软体胸鳍推进器,具有三维立体翼型并集成多个软体致动单元,具备更高形态及运动仿生度。分析提取了生物原型翼缘曲线并建立扑翼运动学模型,解耦描述胸鳍俯仰-摆转复合运动模式;对比了不同致动器数量的软体胸鳍运动特性与控制策略,并通过样机静态加载试验验证了有限元模型可靠性;基于格子-玻尔兹曼方法实现复杂曲面动态边界的流固耦合,在仿真环境中分析了单/多自由度软体胸鳍在不同工况下的扑翼推升力特性;数据对比表明多自由度胸鳍平均推力为单自由度的7.2倍,性能优势显著,为进一步水动力试验研究与机器鱼平台整合提供了数据预测与方向指导。

关键词：仿生机器鱼软体胸鳍推进器扑翼运动学建模流固耦合

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胸鳍摆动推进仿生鱼的设计及水动力实验

机器人 2014年第5期36卷 535-543页

作者：牛传猛毕树生蔡月日张利格马宏伟北京航空航天大学机器人研究所北京100191

为实现胸鳍摆动推进模式鱼类的游动,模仿牛鼻鲼构建了仿生鱼.首先,基于摆动胸鳍的生物学特征和运动规律,提出了具有主/被动复合柔性变形能力的仿生胸鳍原理模型.然后通过ADAMS运动学仿真验证了设计方案的可行性,并构建仿生样机.自由游... 详细信息

为实现胸鳍摆动推进模式鱼类的游动,模仿牛鼻鲼构建了仿生鱼.首先,基于摆动胸鳍的生物学特征和运动规律,提出了具有主/被动复合柔性变形能力的仿生胸鳍原理模型.然后通过ADAMS运动学仿真验证了设计方案的可行性,并构建仿生样机.自由游动实验表明,仿生鱼游速可达0.46m/s,约1倍身长比,且具有原地转弯能力,最大转弯速度达60?/s.与国内外其他同类机器鱼相比,在游速和机动性方面均表现出明显的优势.基于准稳态叶素理论,提出了仿生胸鳍水动力简化计算模型.构建水动力实验平台,验证了计算模型的有效性,并通过一系列水动力实验研究了仿生胸鳍的水动力特性.实验结果表明,仿生胸鳍能够产生周期性变化的推、升力,且变化趋势与胸鳍运动控制参数密切相关.

关键词：摆动胸鳍复合柔性仿生鱼水动力实验