【摘 要】
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尾鳍式驱动潜航器相对于传统的水下潜航器具有节能、高效、低噪声、隐蔽性好等特点,一直以来都受到国内外研究机构的高度重视,逐渐成为仿生科研领域的热门研究对象。为了验证尾鳍式驱动潜航器的可行性,本课题在广泛参考当前尾鳍式驱动潜航器系统基础上,设计出一种单关节驱动可升潜的尾鳍式驱动潜航器,主要工作包括:潜航器外型及运动机构机械设计、硬件系统设计、上下位机软件系统开发、运动学建模以及潜航器实验等。具体工作内
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尾鳍式驱动潜航器相对于传统的水下潜航器具有节能、高效、低噪声、隐蔽性好等特点,一直以来都受到国内外研究机构的高度重视,逐渐成为仿生科研领域的热门研究对象。为了验证尾鳍式驱动潜航器的可行性,本课题在广泛参考当前尾鳍式驱动潜航器系统基础上,设计出一种单关节驱动可升潜的尾鳍式驱动潜航器,主要工作包括:潜航器外型及运动机构机械设计、硬件系统设计、上下位机软件系统开发、运动学建模以及潜航器实验等。具体工作内容如下:采用Solid Works软件完成了外型以及运动机构机械设计。外形设计包括:潜航器头部、主体、胸鳍外形、尾鳍外形以及密封设计等;机械结构设计包括:胸鳍驱动结构、尾鳍驱动结构、驱动连接轴、元器件支架结构以及密封结构等。控制系统硬件主要由树莓派3B+、电源、直流舵机控制模块、WIFI通信模块、陀螺仪、稳压电路等模块组成。以树莓派3B+作为系统控制核心,总线舵机LX-16A作为运动执行器,WIFI进行上、下位机通信,GY-521 MPU-6050陀螺仪实时监测潜航器姿态变化。软件控制系统开发工作包括上位机软件和下位机软件,上下位机间的数据通信采用TCP/IP协议。上位机编程环境采用Python语言在QT和Pycharm环境下开发,实现控制操作功能界面,对下位机运行数据进行采集、计算、记录等数据管理,对下位机发出控制命令,并实现运动规划。下位机采用树莓派在VNC软件支持下采用Python语言进行程序开发,实现运动控制、传感器数据读取以及舵机控制。根据本课题采用的潜航器推进方式,参考Lighthill等人提出的鱼体波波幅包络线建立尾鳍式驱动潜航器运动学模型以及运动状态分析,对潜航器的直游、转向和升潜运动进行仿真分析,验证了运动模型的正确性。控制器设计采用模糊PID,并与传统PID控制效果进行了对比,验证了模糊PID控制的优越性。实验工作主要分析在不同参数下尾鳍式驱动潜航器直游、转向及升潜等运动方式的游动性能。通过对实验数据分析验证了尾鳍的最大摆幅、摆动频率等参数对潜航器速度的影响,并分析了胸鳍攻角对潜航器水下静止转弯、惯性前进转弯以及胸鳍辅助转弯、上浮和下潜等性能的影响。本课题实现了尾鳍式驱动潜航器原型机实验平台系统的设计、开发及调试,并通过实验对各种运动性能进行了分析,验证了设计方案的可行性,为未来进一步实用化的尾鳍式驱动潜航器的研究打下了基础。
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