仿生推進裝置翼盤變速運動試驗測試研究

高 飛,呂建剛,張曉濤,郭劭琰

（軍械工程學院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

仿生推進裝置翼盤變速運動試驗測試研究

高 飛,呂建剛,張曉濤,郭劭琰

（軍械工程學院火炮工程系，河北 石家莊 050003）

通過模仿水母在水中的推進方式，設計一種新型仿生推進裝置。為獲得裝置的推進性能，前期對翼盤在不同工況下的力學特性進行仿真分析，在此基礎上設計翼盤變速運動試驗方案，開發推進裝置性能測試平臺，采集試驗樣機在不同驅動頻率下的試驗數據，并對結果進行比對分析。研究表明：該試驗能夠較精確地反映推進裝置參數對其推進性能的影響，其中位移測量結果能夠真實反映翼盤在靜水中的運動規律，力學測量結果為推進裝置結構的進一步優化提供依據。

水母；仿生推進裝置；試驗；測量

0 引 言

仿生推進是仿生學研究的一個重要方面，有著較快的發展，尤其是對水域生物（如各類魚、蟹、水母等）的仿生研究[1-5]。對于仿生推進裝置性能的研究，理論分析比較復雜，特別是難以顧及諸多因素的影響，因此一般是采用試驗方法對研究對象的性能進行研究。本文以水母仿生推進裝置為對象，對其推進翼盤在變速運動過程中的流場情況進行試驗研究。

1 仿生推進裝置簡介

仿生推進裝置是基于對水母游動原理的研究及擴展而設計，推進裝置物理樣機及三維模型如圖1所示。其基本組成為：曲柄滑塊驅動機構、剪式結構串聯體機構、合頁式推進翼盤、浮箱等。

仿生推進裝置基本原理為：曲柄滑塊機構驅動剪式結構串聯體實現大行程直線往復運動，推進翼盤固定在剪式結構串聯體兩端，當剪式結構串聯體向外伸長時，后翼盤在水流阻力的作用下張開，前翼盤在水流阻力的作用下閉合，后翼盤產生推力，當剪式結構串聯體向內收縮時，前翼盤在水流阻力的作用下張開，后翼盤在水流阻力的作用下閉合，前翼盤產生推力，伴隨直線運動的往復進行，前后翼盤交替輸出推進力。初步試驗表明，該裝置能夠很好的實現水上行進。

2 翼盤運動規律及測試分析

仿生推進裝置通過翼盤與水相互作用產生向前的推進力，其運動方式直接影響裝置的推進性能。本文通過試驗方法，對推進翼盤在水中的變速運動進行測試分析，獲取翼盤在不同驅動頻率下的推進力以及仿生推進裝置在靜水中的運動情況，并對翼盤的參數選取及結構優化提供依據。

仿生推進裝置由曲柄滑塊機構驅動剪式結構串聯體，其結構原理如圖2（僅示意一半機構）所示。r為曲柄，l為連桿，a點為剪式結構串聯體的固定軸位置，b點為翼盤的固定位置，c點為滑塊位置，在機架的作用下，c點沿x方向運動，對圖中所示的機構進行運動分析，其坐標系如圖中所示。

b點為翼盤固定位置，νb即為翼盤運動速度，從式（3）可以看出翼盤在水中的運動規律是一個關于轉速的三角函數。驅動機構中曲柄r和連桿l尺寸已知，采用不同的驅動角速度ω，即可得到不同的翼盤運動速度。

3 試驗方案設計

仿生推進裝置的測試試驗主要利用已有的采集設備，在設計的試驗方案基礎上，搭建測試平臺，測量推進翼盤在靜水中的運動規律及其產生推進力的大小。

該試驗方案原理如圖3所示，通過一端固定，另一端與水池壁面上的拉桿與仿生推進裝置相連，拉力傳感器布置于拉桿末端，兩個直線位移傳感器用于測量推進翼盤的運動位移，通過控制調節動力源電機的轉速，分別對一系列驅動頻率下新型推進裝置的性能進行測試，該方案可以測量單個或兩個翼盤的推進情況。

試驗測試時，通過直流電機調速器調節電機轉速，由電機的轉動驅動剪式結構串聯體，最終帶動推進翼盤實現直線往復運動。仿生推進裝置的浮箱通過拉桿相互固定在水池壁面上，推進裝置整體在水面靜止不動，此時浮箱受到推進翼盤產生的推進力，串聯于拉桿的拉力傳感器采集該拉力信號，并且在翼盤運動過程中直線位移傳感器KTC可以同時記錄翼盤各時刻的位置量。

試驗中需要測量的變量有：左右翼盤的運動位移，新型推進裝置所能產生的推進力。所需要的傳感器有位移傳感器和拉力傳感器，以及相應傳感器的信號隔離及轉換設備。具體的傳感器及信號轉換隔離設備信息如表1所示。

直線位移傳感器KTC-1000用于測量左右翼盤的運動位移量，單個翼盤獨立安裝一個直線位移傳感器，各個翼盤的運動位移可進行獨立測量。傳感器內部導電塑料保證運行順滑，拉尺外部球鉸的接駁方式克服部分傳動桿上由于傾斜產生的扭力，保證驅動力適中并朝著拉桿的軸向。傳感器的供電和信號輸出通過相應的信號隔離器來實現。

直流調速器HW-A-1040A用于調節新型推進裝置驅動電機的轉速。該調速器采用低損耗PWM技術，工作電壓寬（實測DC9V～DC24V均可正常工作）、外形精巧、工作功率大、靈敏度較高，并聯式接線方式、安裝方便，可用于直流有刷式電機調速，電磁電機調速等。

拉力傳感器BLSM50用于測量新型推進裝置推進翼盤輸出推進力的大小。該傳感器為S型結構，通過S型兩端的兩個M12的螺紋孔實現安裝。

4 測試平臺介紹

新型推進裝置測控系統硬件平臺基于美國國家儀器公司（national instruments，NI）的PXI平臺，PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是一種專為工業數據采集與自動化應用量身定制的模塊化儀器平臺，具備機械、電氣與軟件等多方面的專業特性[6]。

新型推進裝置試驗測控系統主要由PXI系統、數據采集卡、電機轉速控制電路、傳感器以及基于LabVIEW軟件平臺開發的測控程序5部分組成，原理如圖4所示。該系統能夠對試驗過程中前后推進翼盤的位移量及其輸出的推進力進行實時的采集記錄。

直線位移傳感器KTC-1000用于往復雙向的直線位移測量，量程1 000 mm，線性度0.05%，重復準確度0.01 mm，運行速度最高為10 m/s。直流調速器HW-A-1040A的有效工作電壓為DC9V～DC24V，控制電機功率為0.01～800W，待機狀態時靜態電流為0.02A，啟動電壓為0.2V，額定發熱電流30A。拉壓力傳感器BLSM50拉壓均可測量，量程為50kg，靈敏度2.0±0.01mV/V，非線性度≤±0.02%F.S。其供電和信號輸出通過相應的信號隔離器BLSM-C實現。信號隔離器的輸入電壓為DC24V，輸出為0～10V。

本測控系統使用的數字采集卡為PXI-6225，該卡具有16位精度，80路模擬輸入，2路模擬輸出，24路數字I/O，70多個信號調理選項，最高采樣頻率為250 kS/s。設定系統采樣頻率為50 kHz，每周期采樣點數為5 000，連續采集3路信號，滿足實驗要求。

LabVIEW軟件為NI公司開發的圖形化編程環境，應用其開發測控程序具有簡單直觀、靈活高效的特點[7-9]。LabVIEW軟件對數字采集卡AI端口收到的信號濾波，整形后再進行測量與換算。系統對得到的推進力、位移等信息進行顯示與記錄，由此實現對系統狀態的監測并藉此對實驗數據進行進一步處理分析。測控系統的監測界面如圖5所示。

5 測試結果分析

通過對電機功率的調節，能夠使翼盤在3種驅動頻率（0.5，0.8，1Hz）下工作。首先對推進裝置在不同驅動頻率下翼盤的位移和推進力進行測量；進一步固定翼盤張角，對最大張角分別為160°、170°、180°的新型推進裝置的右側推進翼產生的推進力進行測試采集，并對結果進行對比分析。

仿生推進裝置在不同驅動頻率下翼盤隨時間變化的位移曲線如圖6所示。可以看出翼盤在不同驅動頻率下的位移曲線隨時間呈周期性變化，隨著驅動頻率的增大，變化周期縮短，與理論分析結果一致。曲柄滑塊機構驅動剪式結構串聯體實現翼盤大行程直線往復運動，在不同驅動頻率下翼盤的最大位移相同，均為0.5m。

仿生推進裝置在不同驅動頻率下翼盤產生的推進力隨時間的變化曲線如圖7所示。可以看出翼盤能夠產生有效的推進力，在不同驅動頻率下的推進力曲線隨時間呈周期性變化，翼盤產生推進力在一個周期內的變化趨勢是一個先增大后減小的過程。由于推進力的大小與翼盤運動速度的平方成正比，隨著驅動頻率的提高，翼盤運動速度增大，推進力在一個周期內的峰值隨之急劇增大。對于不同驅動頻率的翼盤，其運動速度與驅動頻率成正比，因此增大驅動頻率可以提高翼盤產生的推進力。

為研究翼盤在運動過程中，葉片夾角對推進力的影響，將翼盤的兩個葉片夾角固定，分別為160°、170°、180°，在不同驅動頻率下的推進力曲線如圖8、圖9、圖10所示。

從圖中可以看出，翼盤張角固定時，在不同驅動頻率下的推進力曲線變化趨勢大體相同，但是翼盤張角為160°時樣機產生的推進力最大。

實測結果表明該推進裝置能夠產生有效的推進力，進一步優化參數可以提高裝置的推進性能，這為設計高效率推進裝置提供了新思路。

6 結束語

仿生推進裝置翼盤變速運動試驗測試平臺能夠較好地測量裝置的推進性能，通過分析試驗樣機在不同參數下的測試結果，獲得了翼盤在靜水中的運動規律以及驅動頻率和翼盤張角對推進力的影響。測試結果為仿生推進裝置推進性能研究及結構優化提供了依據。

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Experiment research on foil movement of bionic propulsion

GAO Fei，Lü Jian-gang，ZHANG Xiao-tao，GUO Shao-yan
（Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The configuration of new bionic propulsion device was designed after observing the movement of jellyfish and analyzing morphological changes in the process of generating thrust.In order to obtain the performance of the device，a testing platform was devised and developed to collect experimental data at different working conditions.The results indicate that the experiment is able to get the influence of propulsive performance with different parameters.The movement rule of leaf is reported by measuring its displacement.And the data of mechanical characteristics provides a criterion for propulsion unit design and structure optimization.

jellyfish；biomimetic propulsion；experiment；measurement

Q959.132；V664.3；TP391.9；O311

：A

：1674-5124（2014）04-0083-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.021

2013-10-12；

：2013-12-01

高 飛（1988-），男，河南南陽市人，碩士研究生，專業方向為車輛機電液控制與自動化。