胸鳍扑翼式机器鱼的设计及水动力实验

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0.64 m/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.      

基于续航能力的仿生水下航行器设计及实验

SPC3-UUV机器鱼是在北航SPC-2仿生机器鱼UUV平台基础上经过优化改进,为提高推进效率和续航力专门研制的水下仿生航行器实验平台.通过在泳池静水中对平台的摄像机测速观测实验和功率数据采集计算机的记录,得到SPC3-UUV速度-频率,功率-频率特性曲线,由航程估算,得到该平台在不同的拍动频率下续航时间以及估算航程,同时以平台速度和续航能力为评价原则选择了长航程实验的推进频率,范围定为1.5~1.6Hz,并在北戴河长航程实验中得到了验证.SPC-3 UUV航程达到22.761km,续航时间6.25h,平均航速1.03m/s.      

胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制

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.      

胸鳍摆动推进模式机器鱼深度控制

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.      

SPC-II机器鱼平台及其自主航行实验

SPC-II型仿生机器鱼是利用尾鳍推进机理,实现机器鱼稳定、高速游动和验证机动性的一个实验平台.SPC-II不模仿某种特定鱼类的外形,而是把游动稳定性作为仿生水下航行器设计首要考虑的因素,有效克服艏摇的鱼体,使得尾鳍推进器的运动不受到干扰,同时也降低航行阻力.SPC-II长度约1.2?m,采用完全刚体耐压舱,内部安装了电池、GPS(Global Position System)和罗盘组合导航系统、2关节伺服电机推进系统,能在深度5?m内进行定深的自主航行,速度达到了2.8?kn,功耗小于250?W.对直线航行速度,转弯机动性进行了测试,并进行了长距离风浪条件下的海试.与国内外相关实验平台进行了对比,在外形、航行速度方面展现出优越性.     

宽带振动抑制用液电混合作动器技术

针对宽频带振动隔离的需求,提出了一种液压阻尼-弹簧-音圈电机串联的减振混合作动技术,实现了在0.1-500Hz较宽频带内振动隔离的方法。在结构设计的基础上,建立了液电混合作动的数学模型,对模型的各个参数进行了分析。用实际尺寸的结构有限元模型进行了电磁仿真验证,证明了电磁推力的符合性。使用样机进行了实际的输出力特性测试、位移跟踪测试和频率特性测试。测试结果表明：该作动技术可以实现0.5Hz频率的有效输出力跟踪和位移跟踪。     

超声电喷推进机理研究

超声电喷推进是一种新型的电推进技术,主要用于解决胶体推力器等电推力器发射点集成困难、发射点数密度低的问题。通过将超声振动产生的大量微细驻波作为发射源,超声电喷推进将从根本上提高发射点的数目和密度,形成较大的推力密度。文章对超声电喷推进的发射机理进行了研究,得到相应的理论发射模型。通过对发射表面上微细驻波的形成过程、带电液滴的分离过程进行理论分析,建立了静电场条件下微细驻波波峰临界状态的平衡方程,推导出微细驻波波峰局部半径以及发射液滴尺寸的理论解,并提出了发射电流、比冲和推力的估算方程。在此基础上,分析了极间电场强度、超声振动频率、超声振动功率、推进剂性能黏度、推进剂表面张力系数和电导率对超声电喷推进性能的影响规律,并进行了试验验证。     

一种基于悬臂梁结构的动态推力测量方法

为实现星载微推进器性能评价中的动态推力测量,基于悬臂梁动力学模型,建立了测量系统的传递函数,分析了系统的输入输出特性,根据悬臂梁响应速度快（振动频率高）、动态分量在较小时间区间内接近等幅振荡（阻尼比小）以及高阶振动可视为基频振动噪声的特性,提出了求解稳态位移的末端均值法。该方法通过消除位移响应中的动态分量,得到了误差带较大时的稳态位移时变值,实现了动态推力测量。依据系统稳态位移与推力为线性关系、线性系数为系统增益值这一特性,提出了参数标定方法。搭建了试验平台,标定得到系统响应时间为156ms,通过对比扭摆系统测量结果,悬臂梁测量得到的冲击力与实际推力相对误差为4.064%,结合冲击力本身的测量误差1.383%,最终得到推力测量误差为4.293%。     

Experimental study on drilling basalt with self-vibratory drilling head

Based on the goal of improving the rock breaking ability when drilling asteroid rock samples under limited energy conditions, this paper proposes a method of drilling rock using self-vibratory drilling head and develops a small self-vibratory drilling head for drilling rock. In order to analyze the dynamic characteristics of drilling rock with self-vibratory drilling head, a rock model hypothesis that the rock consists of a series of micro-segment uniform continuous media is put forward. Base on the hypothesis, the model of drilling rock is constructed, the stability lobes diagram of self-vibratory drilling head drilling basalt is plotted, and the energy mechanism of drilling rock system with self-vibratory drilling head is discussed. The comparison tests of drilling basalt by three kinds of self-vibratory drilling head with different spring stiffness and the conventional method are carried out. The rotational speed is a variable in the comparative tests. The test results show that under the specific rotational speed and spring stiffness, self-excited vibration is produced in self-vibratory drilling head drilling basalt. When self-excited vibration drilling is conducted, although the amplitude fluctuation range of the drilling thrust force is wider than that of conventional drilling, the average drilling thrust force is smaller than the conventional drilling. The amplitude of drilling thrust force increases with an increase in spring stiffness. The method of drilling rock by self-vibratory drilling head is proved to be a potential method for viable drilling of asteroid rock samples.     

轨姿控发动机动态推力与推力矢量测试系统研制

针对目前轨姿控发动机动态推力与推力矢量测试系统测量精度低、测试覆盖面不全及操作的复杂性，研制了一套基于压电测力平台的动态推力与推力矢量测试系统。此系统的研制攻克了测力平台结构参数优化技术、标准信号发生器设计技术、测试相间干扰处理技术等五项关键技术点.实现了连续脉冲力及多方向力的测量，系统操作可靠、便捷，各项测试指标满足总体要求，为动态推力及推力矢量测试提供了手段。     

轨姿控发动机动态推力与推力矢量测试系统研制

针对目前轨姿控发动机动态推力与推力矢量测试系统测量精度低、测试覆盖面不全及操作的复杂性,研制了一套基于压电测力平台的动态推力与推力矢量测试系统。此系统的研制攻克了测力平台结构参数优化技术、标准信号发生器设计技术、测试相间干扰处理技术等五项关键技术点.实现了连续脉冲力及多方向力的测量,系统操作可靠、便捷,各项测试指标满足总体要求,为动态推力及推力矢量测试提供了手段。