传感-结构一体化微型机器鱼尾鳍动力学与集成技术研究

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微型仿生机器鱼作为一类智能化、小型化、低成本的自主水下航行载具,其高推进效率、高机动性等特点促使其成为研发的热点,而作为研究仿生游动机理的重要依据,对于微型仿生机器鱼各运动部件表面附近流场信息的采集成为推动仿生游动机理发展的一个重要组成部分。其中,流体对微型仿生机器鱼表面作用的压力是一项可以直接采集的流场信息,对其进行采集可以有效的对已有的仿生机理进行验证。此外,表面压力还可以作为微型仿生机器鱼轨迹控制的一个重要判断依据。然而,由于现有的压力传感器体积较大,当通过机体外安装方式布置压力传感器时,会对微型仿生机器鱼壳体外形产生影响,同时还会阻碍流场信息的采集。为了了解微型仿生机器鱼的推力产生机理,本课题利用准静态近似和叶素法,建立了一种可用于使用近似刚体尾鳍的双尾鳍微型仿生机器鱼的动力学建模及分析,通过一种压电驱动的微型仿生机器鱼获取动力学模型中未知的流体动力学系数并进行实验验证。实验与动力学计算结果相互验证表明,该模型符合微型机器鱼的游动规律,并且可以较为准确的反映出微型机器鱼运动过程中各项运动参数的变化。并且由该动力学模型的分析过程及计算结果可以得知,尾鳍的受力信号可以作为微型机器鱼轨迹预测判断依据。为克服外装压力传感器对微型方式机器鱼产生的影响,本课题提出了两种将应变传感器与微型仿生机器鱼尾鳍结构集成,并通过检测尾鳍应变计算尾鳍受力的方案,一种是以碳纤维-树脂复合材料作为骨架和电极材料,以聚偏氟乙烯(PVDF)作为电介质,通过旋涂法制作了集成电容式应变传感器的微型机器鱼尾鳍;另一种方案以碳纤维-树脂复合材料作为骨架和应变传感材料,利用激光雕刻的高精度特性制作间隙极小的蛇形结构,利用结构变化引起的电阻变化作为机理,制作集成电阻式应变传感器的微型机器鱼尾鳍。两种方案利用热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜(TPU)及压敏胶膜(PSA)进行防水绝缘封装措施。对两种尾鳍分别进行响应测试和水下测试,结果表明,集成电容式应变传感器的微型机器鱼尾鳍具有应变传感功能,但是由于电容值受使用环境影响,无法良好的达成在水下环境中执行传感任务;而集成电阻式应变传感器的微型机器鱼尾鳍则可以良好的执行在水下环境中检测尾鳍所受水的动压力的功能。通过搭建水下测试平台,对集成电阻式应变传感器的微型机器鱼尾鳍进行水下传感测试,并通过该测试获得尾鳍水下运动时的受力信息。同时,对尾鳍在不同摆动条件下表面所受压力变化进行了分析。
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