仿蝠鲼潜水器设计理论与方法

仿蝠鲼潜水器的结构设计、运动时的流场特性、控制算法与推进机理等涉及一系列复杂问题。如何使潜水器游动特性与真鱼相似，且具备持久续航能力、环境感知能力等是仿生潜水器设计所需要解决的重要问题。本书面向仿蝠鲼潜水器设计，系统介绍了仿生推进的流体动力学、结构设计、航行动力学、自动控制、能源与载荷等内容，为仿蝠鲼潜水器样机研制奠定了理论与技术基础。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 鱼类生物学基础 1
1.2 仿蝠鲼潜水器的国内外研究进展 1
1.3 水动力实验研究进展 2
1.4 仿蝠鲼潜水器的动力学建模简介 5
1.5 仿生控制方法研究现状 6
1.5.1 中枢模式发生器控制 6
1.5.2 基于模型的控制 12
1.6 潜水器能源系统的发展现状 13
1.6.1 常见的几种潜水器能源系统 13
1.6.2 多源能量分布式电能存储技术 16
1.6.3 潜水器的能源管理策略 16
1.6.4 能源系统的健康状态评估 17
1.7 潜水器载荷扩展研究现状 18
参考文献 19
第2章 蝠鲼的生物学特性和仿真分析 28
2.1 引言 28
2.2 生物形态学 28
2.2.1 生物原型分析 28
2.2.2 生物形态学分析 29
2.3 生物运动姿态获取 31
2.3.1 前游姿态分析 31
2.3.2 偏航姿态分析 35
2.3.3 俯仰姿态分析 36
2.3.4 滑翔姿态分析 40
2.4 蝠鲼水动力计算方法 40
2.4.1 浸入边界法 40
2.4.2 SGKS方法 43
2.4.3 水动力系数定义 49
2.4.4 网格无关性 50
2.4.5 时间步无关性 52
2.5 蝠鲼主动推进状态水动力特性分析 52
2.5.1 展向柔性变形对水动力的影响 52
2.5.2 弦向柔性变形对水动力的影响 54
2.5.3 频率及振幅对水动力的影响 58
2.6 蝠鲼滑翔姿态水动力特性分析 64
2.6.1 不同滑翔姿态下的模型建立 64
2.6.2 不同滑翔姿态下的水动力分析 65
2.7 本章小结 73
参考文献 73
第3章 仿生胸鳍结构设计 75
3.1 引言 75
3.2 双驱动多连杆结构设计 75
3.2.1 方案概述 75
3.2.2 胸鳍机构原理设计 76
3.2.3 摆旋机构几何关系分析 76
3.2.4 摆旋机构运动分析 80
3.3 多驱动并联结构设计 85
3.3.1 方案概述 85
3.3.2 胸鳍边缘运动形式 87
3.3.3 驱动机构运动学分析 87
3.4 鳍条与鳍面结构设计 90
3.4.1 胸鳍柔性分布区域划分 90
3.4.2 柔性鳍板分析 92
3.4.3 胸鳍鳍板材料选型 95
3.4.4 柔性鳍板仿真分析 96
3.5 本章小结 102
参考文献 102
第4章 仿生胸鳍水动力实验 103
4.1 引言 103
4.2 仿生胸鳍水动力实验装置及原理 103
4.2.1 循环水槽 103
4.2.2 力学传感器 104
4.2.3 PIV系统 105
4.3 仿生胸鳍水动力实验测试平台 105
4.3.1 仿生胸鳍实验模型设计 105
4.3.2 仿生胸鳍实验测试系统 107
4.3.3 仿生胸鳍实验测试方案 108
4.4 仿生胸鳍水动力性能实验测试与分析 112
4.4.1 仿生胸鳍材料属性对其水动力特性的影响 112
4.4.2 仿生胸鳍展向骨架柔性对其水动力特性的影响 117
4.4.3 仿生胸鳍截面翼型厚度对其水动力特性的影响 120
4.4.4 斯特劳哈尔数对仿生胸鳍水动力特性的影响 123
4.4.5 摆旋运动攻角对仿生胸鳍水动力特性的影响 127
4.4.6 非对称振幅拍动对仿生胸鳍水动力特性的影响 129
4.4.7 非对称频率拍动对仿生胸鳍水动力特性的影响 130
4.5 仿生胸鳍流场特性实验测试与分析 132
4.5.1 斯特劳哈尔数对仿生胸鳍流场特性的影响 132
4.5.2 摆旋运动攻角对仿生胸鳍流场特性的影响 133
4.5.3 非对称振幅拍动对仿生胸鳍流场特性的影响 134
4.5.4 非对称频率拍动对仿生胸鳍流场特性的影响 135
4.6 本章小结 135
第5章 仿蝠鲼潜水器的动力学建模 137
5.1 引言 137
5.2 移动基座的多体系统 138
5.3 仿蝠鲼潜水器机构运动学 142
5.3.1 样机介绍 142
5.3.2 运动学分析 142
5.4 仿蝠鲼潜水器动力学模型 145
5.4.1 流体动力学分析 145
5.4.2 牛顿-欧拉动力学方程 151
5.5 数值计算方法 151
5.5.1 步态函数设计 151
5.5.2 逆动力学模拟 152
5.6 仿真结果与分析 154
5.7 本章小结 158
参考文献 158
第6章 仿蝠鲼潜水器单体运动控制 159
6.1 引言 159
6.2 CPG相位振荡器 160
6.2.1 相位振荡器模型构建 160
6.2.2 稳态振动特性分析 165
6.2.3 CPG控制拓扑网络构建 170
6.2.4 游动姿态仿生控制 177
6.3 无模型控制 188
6.3.1 模糊闭环控制 188
6.3.2 运动相似优化控制 193
6.4 基于模型的控制 203
6.4.1 关节空间控制 203
6.4.2 逆动力学控制 203
6.4.3 轨迹跟踪 205
6.4.4 数值结果 208
6.5 本章小结 210
参考文献 210
第7章 仿蝠鲼潜水器的能源系统设计及能源管控技术 212
7.1 引言 212
7.2 自主俘能系统设计 212
7.2.1 太阳能俘能技术 212
7.2.2 温差能浮力驱动技术 216
7.2.3 仿蝠鲼潜水器的多模态运动与俘能协同匹配技术 221
7.3 柔性储能系统设计 222
7.3.1 高性能柔性电极材料制备 222
7.3.2 柔性锂电池结构设计及优化 225
7.3.3 适配复杂异构空间的柔性锂电池技术 227
7.4 潜水器长时自持能源管理策略 229
7.4.1 多源能量分布式存储技术 229
7.4.2 俘能-储能系统能量自适应输出策略 230
7.4.3 能源系统健康状态评估与故障诊断 236
7.5 本章小结 242
参考文献 243
第8章 仿蝠鲼潜水器样机总体设计与实验 244
8.1 引言 244
8.2 仿蝠鲼潜水器样机总体设计技术 244
8.2.1 样机总体设计技术简述 244
8.2.2 仿生流体外形设计技术 245
8.2.3 多模态滑翔及泵喷推进系统设计 247
8.3 仿蝠鲼潜水器实验 252
8.3.1 游动姿态仿生实验 252
8.3.2 三维运动闭环实验 263
8.4 本章小结 273
第9章 载荷扩展 274
9.1 引言 274
9.2 水下目标视觉感知 274
9.2.1 仿蝠鲼潜水器集群控制 275
9.2.2 珊瑚礁监测 276
9.3 水质监测：水质传感器的集成与应用 278
9.4 深海环境声呐探测 280
9.4.1 前视声呐探测 280
9.4.2 侧扫声呐探测 282
9.5 本章小结 284