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摘要:本发明提供了一种水下仿生航行器的最节能摆动参数组合方法,其特征在于,主要应用于基于BCF推进方式的仿生航行器。这种仿生航行器驱动器参数主要为摆幅和摆频,根据游速所处的不同范围像汽车换档一样切换不同的最优摆幅,再利用摆频在该游速范围内调节具体的游速。本发明能够找到不同游速区间下的最优摆幅,并根据游速所处的不同范围像汽车换档一样时刻为航行器匹配最节能的最优摆幅,仿生航行器利用最优摆幅航行可以达到提高续航能力的目的。
主权项:1.一种水下仿生航行器的最节能摆动参数组合方法,其特征在于,首先分析摆频与游速、摆幅与游速、摆频与单位能耗和摆幅与单位能耗之间的关系,根据上述关系确定最大摆幅的取值,再取多种摆幅的值,观察不同摆幅时单位能耗随游速的变化规律并做出曲线图,在图中找到摆幅曲线交点,按照所需能耗最小的原则确定不同游速范围内的最优摆幅;为了定量分析鱼类自主游动过程中的能耗,引入单位能耗γ,其定义为 其中,U为游动速度,是平均侧向力功率,其定义为: 其中,T为摆动周期,t0为达到自主游动状态的时刻,PLt为瞬时侧向力功率,即鱼类在自主游动过程中所输出的总功率,其定义为: 其中,nj是面元dA上单位法向量的第j个分量,j=1,2,3;T2j是粘性应力张量在Y方向的分量,j=1,2,3;p是压力,是侧向摆动速度;摆频、摆幅与游速之间的关系:摆频、摆幅与游速之间的关系是揭示摆频与摆幅最优组合随游速变化规律的基础,为此分别模拟了单侧摆幅A=0.025、0.05、0.075、0.01和0.15倍仿生鱼身长时,仿生鱼在不同摆频f下的自主游动,当摆幅A固定时,U随着f增大而增大,二者近似呈线性关系;为了揭示固定摆频条件下游速随摆幅的变化规律,分别模拟了摆频f=0.5、1.0、2.0和4.0赫兹时仿生鱼在不同摆幅条件下的自主游动,当摆频f固定时,U随A增大而增大;但当A增大到一定程度时,U随着A的增大近似保持不变,甚至还会有所减小;因此,鱼在游动过程中既可以通过f也可以通过A来调整U,但通过A调整的幅度是有限的,无法通过调整摆幅来无限制增加游速;摆频、摆幅与单位能耗之间的关系:模拟单侧摆幅A固定时,仿生鱼在不同摆频f下的自主游动,观察单位能耗γ随摆频f的变化规律,γ随f增大而增大;对于不同的A,A越大γ随f增长的速率越快;对于固定的A,通过γ随f的变化曲线可以看到,f越大γ增长越快,二者之间呈非线性关系;模拟摆频f固定时,仿生鱼在不同单侧摆幅A下的自主游动,观察单位能耗的对数lgγ随摆幅A的变化规律,当f固定时,γ随A几乎呈指数增长;在f固定的条件下,当摆幅A增大到一定程度时,随着A的增大,虽然游速几乎没有改变,但γ仍会急剧增大;因此,鱼在游动过程中,依靠增大摆幅来提高游速是不经济的,选用增大摆频来提高游速相对更加合理;通过分析摆频、摆幅、游速、单位能耗之间的关系,以及不同摆频条件下游速随摆幅变化曲线的斜率变化,鱼在自主游动过程中的最大单侧摆幅不应超过0.15倍身长;游速与单位能耗之间的关系:鱼的游速既可以通过改变摆频也可以通过改变摆幅来进行调节;所以要通过分析单位能耗与游速之间的关系,确定摆频和摆幅最优组合随游速的变化规律;分别模拟单侧摆幅A=0.025、0.05、0.075、0.01和0.15倍仿生鱼身长时,仿生鱼在不同游动速度U下的自主游动,观察单位能耗γ随游动速度U的变化规律;相同游速条件下,摆频与摆幅的不同组合所对应的单位能耗相差非常大,当U=3.0时,A=0.15的单位能耗约为A=0.05时的2.5倍;当游速相同时,单位能耗γ不是摆幅A的单调函数,因此存在着一个最节能的摆幅,称之为最优摆幅,记为A*;用“*”标注的点P1是A=0.050和A=0.075所对应曲线的交点,点P2是A=0.075和A=0.100所对应曲线的交点;在不同的游速范围内最优摆幅A*是不同的;针对所选取的摆幅参数空间,最优摆幅A*与游速U的关系如下: 从最优摆幅A*与游速U之间的关系可以发现,最优摆幅随着游速的增大而减小,也就是说鱼在高速游动时采用小摆幅,低速游动时采用大摆幅比较节能;由于不同游速范围内最优摆幅的存在,使得鱼在游动过程可以根据不同的游速切换不同的摆幅;对于不同外形的鱼,最优摆幅与对应的游速范围可能有所不同,但在不同游速条件下都存在一个最优摆幅,即鱼类游动中的换档机制应该是普遍存在的,给出了确定鱼类游动档位的方法,即,首先分析摆频、摆幅与游速之间的关系,确定自主游动时的最大摆幅;然后观察不同摆幅时单位能耗随游速的变化规律,在摆幅曲线交点,按照所需能耗最小的原则确定不同游速范围内的最优摆幅。
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