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The Collaborative Multi-target Search of Multiple Bionic Robotic Fish Based on Distributed Model Predictive Control
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作者 Ruilong Wang Ming Wang +4 位作者 Lingchen Zuo Yanling Gong Guangxin Lv Qianchuan Zhao He Gao 《Journal of Bionic Engineering》 2025年第3期1194-1210,共17页
In complex water environments,search tasks often involve multiple Autonomous Underwater Vehicles(AUVs),and a single centralized control cannot handle the complexity and computational burden of large-scale systems.Targ... In complex water environments,search tasks often involve multiple Autonomous Underwater Vehicles(AUVs),and a single centralized control cannot handle the complexity and computational burden of large-scale systems.Target search in complex water environments has always been a major challenge in the field of underwater robots.To address this problem,this paper proposes a multi-biomimetic robot fish collaborative target search method based on Distributed Model Predictive Control(DMPC).First,we established a bionic robot fish kinematic model and a multi-biomimetic robot fish communication model;second,this paper proposed a distributed model predictive control algorithm based on the distributed search theory framework,so that the bionic robot fish can dynamically adjust their search path according to each other’s position information and search status,avoid repeated coverage or missing areas,and thus improve the search efficiency;third,we conducted simulation experiments based on DMPC,and the results showed that the proposed method has a target search success rate of more than 90%in static targets,dynamic targets,and obstacle environments.Finally,we compared this method with Centralized Model Predictive Control(CMPC)and Random Walk(RW)algorithms.The DMPC approach demonstrates significant advantages,achieving a remarkable target search success rate of 94.17%.These findings comprehensively validate the effectiveness and superiority of the proposed methodology.It can be seen that DMPC can effectively dispatch multiple bionic robot fish to work together to achieve efficient search of vast waters.It can significantly improve the flexibility,scalability,robustness and cooperation efficiency of the system and has broad application prospects. 展开更多
关键词 bionic robotic fish DMPC Target search Cooperative control CMPC RW
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Numerical simulations of self-propelled swimming of 3D bionic fish school 被引量:25
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作者 WU ChuiJie WANG Liang 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS 2009年第3期658-669,共12页
Numerical simulations of self-propelled swimming of a three dimensional bionic fish and fish school in a viscous fluid are carried out.This is done with the assistance of a parallel software package produced for 3D mo... Numerical simulations of self-propelled swimming of a three dimensional bionic fish and fish school in a viscous fluid are carried out.This is done with the assistance of a parallel software package produced for 3D moving boundary problems.This computational fluid dynamics package combines the adaptive multi-grid finite volume method,the immersed boundary method and VOF(volume of fluid)method.By using the package results of the self-propelled swimming of a 3D bionic fish and fish school in a vis-cous fluid are obtained.With comparison to the existing experimental measurements of living fishes,the predicted structure of vortical wakes is in good agreement with the measurements. 展开更多
关键词 adaptive multi-grid immersed boundary method self-propelled swimming fish school 3D bionic fish
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Numerical simulations and vorticity dynamics of self-propelled swimming of 3D bionic fish 被引量:5
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作者 XIN ZhiQiang WU ChuiJie 《Science China(Physics,Mechanics & Astronomy)》 SCIE EI CAS 2012年第2期272-283,共12页
Numerical simulations and the control of self-propelled swimming of three-dimensional bionic fish in a viscous flow and the mechanism of fish swimming are carried out in this study,with a 3D computational fluid dynami... Numerical simulations and the control of self-propelled swimming of three-dimensional bionic fish in a viscous flow and the mechanism of fish swimming are carried out in this study,with a 3D computational fluid dynamics package,which includes the immersed boundary method and the volume of fluid method,the adaptive multi-grid finite volume method,and the control strategy of fish swimming.Firstly,the mechanism of 3D fish swimming was studied and the vorticity dynamics root was traced to the moving body surface by using the boundary vorticity-flux theory.With the change of swimming speed,the contributions of the fish body and caudal fin to thrust are analyzed quantitatively.The relationship between vortex structures of fish swimming and the forces exerted on the fish body are also given in this paper.Finally,the 3D wake structure of self-propelled swimming of 3D bionic fish is presented.The in-depth analysis of the 3D vortex structure in the role of 3D biomimetic fish swimming is also performed. 展开更多
关键词 3D bionic fish self-propelled swimming boundary vorticity-flux 3D vortex structure
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仿生鱼游动的耦合水动力
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作者 李亚茜 刘子洋 +4 位作者 刘业宝 吕毓华 王思琦 霍家腾 刘鹏 《哈尔滨工程大学学报》 北大核心 2026年第1期1-11,共11页
为探究鱼体与鳍的耦合水动力机制,本文建立三维仿鱼模型,采用分区域混合网格与动网格技术对鱼体游动进行数值模拟。结果表明,鱼体可提升尾鳍推力并降低功耗,背鳍进一步减小鱼体阻力;小波数利于高速推进,大波数适合高效巡航;尾鳍摆幅增... 为探究鱼体与鳍的耦合水动力机制,本文建立三维仿鱼模型,采用分区域混合网格与动网格技术对鱼体游动进行数值模拟。结果表明,鱼体可提升尾鳍推力并降低功耗,背鳍进一步减小鱼体阻力;小波数利于高速推进,大波数适合高效巡航;尾鳍摆幅增大可提升推力但功耗增加。该研究旨在为高效水下机器人设计提供控制策略支持。 展开更多
关键词 仿鱼机器人 摆动鳍 水动力性能 耦合机制 游动模式 尾涡结构 数值模拟 波动推进
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Experimentation of Fish Swimming Based on Tracking Locomotion Locus 被引量:16
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作者 Hui Yan Yu-min Su Liang Yang 《Journal of Bionic Engineering》 SCIE EI CSCD 2008年第3期258-263,共6页
There are many kinds of swimming mode in the fish world, and we investigated two of them, used by cyprinids and bulltrout. In this paper we track the locomotion locus by marks in different flow velocity from 0.2 m... There are many kinds of swimming mode in the fish world, and we investigated two of them, used by cyprinids and bulltrout. In this paper we track the locomotion locus by marks in different flow velocity from 0.2 m·s^-1 to 0.8 m·s^-1. By fit the data above we could find out the locomotion mechanism of the two kinds of fish and generate a mathematical model of fish kine- matics. The cyprinid fish has a greater oscillation period and amplitude compared with the bulltrout, and the bulltrout changes velocity mainly by controlling frequency of oscillation. 展开更多
关键词 aquatic bionics bionic propulsion fish swimming analysis of locomotion tracking locus
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Research Development on Fish Swimming 被引量:4
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作者 Yanwen Liu Hongzhou Jiang 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第5期17-37,共21页
Fishes have learned how to achieve outstanding swimming performance through the evolution of hundreds of millions of years,which can provide bio-inspiration for robotic fish design.The premise of designing an excellen... Fishes have learned how to achieve outstanding swimming performance through the evolution of hundreds of millions of years,which can provide bio-inspiration for robotic fish design.The premise of designing an excellent robotic fish include fully understanding of fish locomotion mechanism and grasp of the advanced control strategy in robot domain.In this paper,the research development on fish swimming is presented,aiming to offer a reference for the later research.First,the research methods including experimental methods and simulation methods are detailed.Then the current research directions including fish locomotion mechanism,structure and function research and bionic robotic fish are outlined.Fish locomotion mechanism is discussed from three views:macroscopic view to find a unified principle,microscopic view to include muscle activity and intermediate view to study the behaviors of single fish and fish school.Structure and function research is mainly concentrated from three aspects:fin research,lateral line system and body stiffness.Bionic robotic fish research focuses on actuation,materials and motion control.The paper concludes with the future trend that curvature control,machine learning and multiple robotic fish system will play a more important role in this field.Overall,the intensive and comprehensive research on fish swimming will decrease the gap between robotic fish and real fish and contribute to the broad application prospect of robotic fish. 展开更多
关键词 fish swimming Kinematics optimization Motion control bionic robotic fish fish locomotion mechanism
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气动软体致动器驱动的仿生鱼尾设计及试验 被引量:1
7
作者 王淑坤 王锦昊 +1 位作者 郑龙 董越华 《重庆理工大学学报(自然科学)》 北大核心 2025年第5期149-155,共7页
针对鱼类的C形起动行为,以具有新月形尾鳍的金枪鱼尾部为仿生模本,设计了一款采用气动纤维约束软体致动器驱动的单关节仿生鱼尾,给出了纤维约束软体致动器与无纤维约束软体致动器的伸缩性能对比。借助数字粒子图像测速技术对不同气压驱... 针对鱼类的C形起动行为,以具有新月形尾鳍的金枪鱼尾部为仿生模本,设计了一款采用气动纤维约束软体致动器驱动的单关节仿生鱼尾,给出了纤维约束软体致动器与无纤维约束软体致动器的伸缩性能对比。借助数字粒子图像测速技术对不同气压驱动下的仿生鱼尾C形起动过程进行流场可视化试验,通过涡环冲量计算,定量分析了推进能力的影响因素。结果表明:研究范围内,仿生鱼尾在进行C形起动时所产生的涡环冲量随摆动周期的减小而增加,同时受摆动角度的影响,在达到最佳摆动角度前,涡环冲量随输出气压的增加而增大,超过最佳摆动角度后开始上下波动并趋于稳定。 展开更多
关键词 工程仿生学 气动软体致动器 仿生鱼尾 数字粒子图像测速技术 C形起动
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侧喷射流参数及介质对仿生鱼表面减阻的影响
8
作者 刘国勇 乔俊雨 +1 位作者 宋中鑫 朱冬梅 《湖南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第12期47-54,共8页
为研究射流孔结构参数和流场条件对水下射流减阻的影响,以鲣鱼为对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃部在仿生鱼模型侧面添加月牙形射流孔以建立射流模型.采用数值模拟方法,分析不同射流孔几何结构参数和不同流场条件下喷气射流模型与喷... 为研究射流孔结构参数和流场条件对水下射流减阻的影响,以鲣鱼为对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃部在仿生鱼模型侧面添加月牙形射流孔以建立射流模型.采用数值模拟方法,分析不同射流孔几何结构参数和不同流场条件下喷气射流模型与喷水射流模型对减阻的影响规律.在本文设定的条件范围内,当射流孔位置X=20 mm,高宽比k=2,射流孔高度h=15 mm,速度比为0.5,主流场速度为10 m/s,得到喷水射流模型的最大减阻率为24.64%,喷气射流模型的最大减阻率为10.17%,表明喷水射流模型具备较好的减阻效果.本文通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真分析不同射流孔结构参数下射流介质对仿生鱼表面减阻的影响,为新型水下航行器的设计提供了依据. 展开更多
关键词 仿生鱼 射流减阻 数值模拟 表面阻力
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基于深度强化学习的机器鱼路径规划控制
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作者 梅杰 陈喆 覃嘉锐 《起重运输机械》 2025年第22期34-41,共8页
路径规划技术是推动仿生机器鱼实现自主导航的核心技术之一,在提升水下机器人整体技术水平、应对与海洋资源探测开发相关的复杂任务时发挥着重要的作用。文中研究解决了仿生机器鱼在复杂多变的水下环境中智能规划行进路线时所需时间长... 路径规划技术是推动仿生机器鱼实现自主导航的核心技术之一,在提升水下机器人整体技术水平、应对与海洋资源探测开发相关的复杂任务时发挥着重要的作用。文中研究解决了仿生机器鱼在复杂多变的水下环境中智能规划行进路线时所需时间长、路径规划距离长等问题,设计了一种机器鱼以实现水下的运动与控制,提出一种MAPPO-JPS(Muti-Agent Proximal Policy Optimization-JPS)深度强化学习算法提升路径规划的速度并减少规划结果的路径长度。结果表明:栅格图环境下算法规划时间相比原始算法减少30%,训练时间减少60%,路径长度减少5%。最后在Matlab仿真环境与水池环境中进行了仿真与试验,证明了该方法运用到机器鱼上的有效性。 展开更多
关键词 机器鱼 深度强化学习 路径规划 控制 仿生
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变刚度柔性仿生机器鱼设计与游动性能分析
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作者 李青泉 李宗刚 +3 位作者 王治平 黎斌 夏广庆 康会峰 《兵器装备工程学报》 北大核心 2025年第10期282-290,共9页
受鱼类在不同游动模式下主动调节身体刚度以提升游动性能的启发,设计了一种变刚度柔性身体的仿生机器鱼。该机器鱼由头部、主动身体段、被动身体段及柔性尾鳍构成,其中被动身体段通过变刚度机构实现柔性身体刚度的动态调节,实验数据显... 受鱼类在不同游动模式下主动调节身体刚度以提升游动性能的启发,设计了一种变刚度柔性身体的仿生机器鱼。该机器鱼由头部、主动身体段、被动身体段及柔性尾鳍构成,其中被动身体段通过变刚度机构实现柔性身体刚度的动态调节,实验数据显示其刚度调节范围为0.128~0.697 Nm/rad。理论层面,建立了机器鱼的运动学模型与拉格朗日动力学模型,并借助计算流体力学(CFD)技术获取精确的水动力参数,通过仿真与实验的对比分析,探究机器鱼的游动性能。结果表明:通过调整身体刚度,在驱动频率为0.5 Hz时,机器鱼的游动速度与效率分别提升了14.8%和15.3%;而在驱动频率为2.5 Hz时,速度和效率分别提升了102.6%和106.6%。本研究为高性能仿生机器鱼的设计优化与实际应用提供了理论依据与实验支撑。 展开更多
关键词 仿生机器鱼 变刚度 动力学模型 游动性能 刚柔耦合
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仿生鲔科机器鱼游动性能研究
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作者 张保成 吴业涛 +1 位作者 张开升 鲁中间 《机械设计与制造》 北大核心 2025年第5期251-257,共7页
为研究仿生机器鱼游动过程中鱼体与周围流场之间流固耦合作用机理,以游动效率最高的仿生鲔科机器鱼为研究对象,应用绝对节点坐标法建立机器鱼游动时的动力学模型,使用广义Alpha方法和遗传算法求得机器鱼最优位置函数。将理论结果代入STA... 为研究仿生机器鱼游动过程中鱼体与周围流场之间流固耦合作用机理,以游动效率最高的仿生鲔科机器鱼为研究对象,应用绝对节点坐标法建立机器鱼游动时的动力学模型,使用广义Alpha方法和遗传算法求得机器鱼最优位置函数。将理论结果代入STAR-CCM+耦合流体求解器建立鱼体的游动模型,耦合结果表明当摆动幅值为0.13倍体长,摆动频率在(1.72~2.47)Hz范围内,平均巡游速度为1.2BL/s(BL为机器鱼体长的倍数),机器鱼最佳游动效率为0.4155。结果证实了机器鱼游动过程中通过制造沿尾部脱落的双列反卡门涡街,实现从周围流场汲取能量以维持自身高效率游动。通过分析机器鱼自主游动涡街产生过程得出流场雷诺数在(800~1200)时,机器鱼自主游动产生的反卡门涡街的结构达到最佳尺寸,可为仿生机器鱼效率的提高提供新的思路和方向。 展开更多
关键词 仿生机器鱼 绝对节点坐标法 遗传算法 流固耦合 游动特性
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金枪鱼型仿生鱼外形设计及水动力分析
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作者 张帅 邓芳 +2 位作者 杜治宇 丁强 杨化林 《舰船电子工程》 2025年第1期83-89,共7页
从水动力学理论的角度分析,鱼类巡游状态下鱼体推力与水阻力组成平衡力系。为获得水动力性能优良的仿生鱼鱼体外形,论文以回转体线形为基础,实现多种鱼体模型的参数化构建并进行阻力分析计算,据此设计阻力性能优良的鱼体线形。结合理论... 从水动力学理论的角度分析,鱼类巡游状态下鱼体推力与水阻力组成平衡力系。为获得水动力性能优良的仿生鱼鱼体外形,论文以回转体线形为基础,实现多种鱼体模型的参数化构建并进行阻力分析计算,据此设计阻力性能优良的鱼体线形。结合理论分析与生物学研究,完成尾鳍参数设计并对其进行水动力分析以确定最优组合。利用经验公式对仿生鱼整体阻力进行估算并进行仿真验证,结果证实所设计仿生鱼外形拥有优良的阻力性能。 展开更多
关键词 黄鳍金枪鱼 回转型鱼体 尾鳍水动力 仿生机器鱼
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多排列形式下仿生航行体水动力性能与尾流结构演变规律
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作者 石伏龙 黎仁杰 +3 位作者 欧传中 李洪鑫 谯刚 马翠 《中国舰船研究》 北大核心 2025年第S1期44-55,共12页
[目的]旨在深入探讨不同排列方式和空间方式对仿生鱼推进效率的影响。[方法]运用CFD软件Fluent,基于有限体积法对控制方程进行离散化,并融合先进算法以实现高精度的数值模拟。通过自编用户定义函数(UDF),实现仿生鱼边界的柔性变形模拟... [目的]旨在深入探讨不同排列方式和空间方式对仿生鱼推进效率的影响。[方法]运用CFD软件Fluent,基于有限体积法对控制方程进行离散化,并融合先进算法以实现高精度的数值模拟。通过自编用户定义函数(UDF),实现仿生鱼边界的柔性变形模拟。创新性地采用多种排列形式开展数值模拟,探讨不同排列方式对流场特性及推进性能的影响。[结果]结果显示,对于交错排列双鱼,当Gx=0时两鱼的正负涡量相互抵消导致推力系数低下;当0<Gx<1.0时仿生鱼#1的推力系数先减小后增大,在Gx=1.0时推力最大,仿生鱼#2的推力系数变化则与之相反,在Gx=0.5时推力最大;随着Gx,Gy的增大,两鱼间的相互干扰减弱,推力系数趋于平稳,并最终趋近于单鱼推力。对于三角形排列仿生鱼,当0<Gx<1.0时上游仿生鱼#1的游动会受到下游两鱼之间负压区的影响,导致推力系数显著降低,Gy越小,负压越强,推力系数越低;下游两鱼的推力系数随着Gx的增加先增大后减小,表明三鱼之间仅在Gx较小时出现强干扰。对于矩形排列仿生鱼,推力系数均随Gy的增大而增加,在Gx较小时,上游两鱼可利用下游鱼的头部正压区产生推力收益,而下游两鱼则会一直受上游鱼尾涡的影响,推力系数随Gx的变化呈振荡趋势。[结论]研究结果可为寻求集群仿生鱼水下作业时水动力优势最佳、推进减阻效率最优的排列间距提供科学的参考,能为水下集群高效航行器的研究与开发提供一定的指导。 展开更多
关键词 仿生航行体 有限体积法 推进 数值模拟 仿生鱼 计算流体力学 仿生技术 潜航器
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仿生鱼尾摆磁场驱动设计与试验
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作者 王淑妍 吴志明 +2 位作者 黄治亮 韩钰 蒋旭君 《东华大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第2期165-173,共9页
为提高仿生鱼尾鳍摆动推进能力,提出一种空间磁场驱动模型,实现鲹科类和鲸豚类两种尾摆模式。针对尾鳍摆进空间运动域,开展磁场结构设计并分析其工作原理;在ANSYS Maxwell软件中对定子绕组安匝数和气隙对转子转矩的影响进行电磁仿真,并... 为提高仿生鱼尾鳍摆动推进能力,提出一种空间磁场驱动模型,实现鲹科类和鲸豚类两种尾摆模式。针对尾鳍摆进空间运动域,开展磁场结构设计并分析其工作原理;在ANSYS Maxwell软件中对定子绕组安匝数和气隙对转子转矩的影响进行电磁仿真,并做出试验样机进行试验验证。研究结果表明,在气隙一定时,转子转矩大小随安匝数的增大而增大;当安匝数一定时,转子转矩大小随气隙的增大而减小;根据磁场叠加原理,当转子转动角度在0~30°时,转矩呈先增大后减小的趋势,数值大小关于转动角度30°位置对称;当定子绕组安匝数为600、气隙为1 mm的情况下,转子转矩可以达到最大值1.09 N·m;试验结果证明仿生鱼鱼身和尾鳍的转矩与仿真结果的变化趋势相一致。 展开更多
关键词 仿生鱼 空间磁场 尾摆推进 样机与试验
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受限管道环境中仿生机器鱼的自主游动性能分析
15
作者 谢鸥 周大卫 +1 位作者 沈灿 张陈波 《船舶工程》 北大核心 2025年第1期157-164,共8页
[目的]为了研究受限管道对仿生机器鱼游动性能的影响,[方法]采用计算流体动力学(CFD)方法对机器鱼在受限管道环境中的自主游动性能进行数值模拟,对管道形状、靠壁距离和摆尾频率等参数对机器鱼自主游动性能的影响进行分析。[结果]结果表... [目的]为了研究受限管道对仿生机器鱼游动性能的影响,[方法]采用计算流体动力学(CFD)方法对机器鱼在受限管道环境中的自主游动性能进行数值模拟,对管道形状、靠壁距离和摆尾频率等参数对机器鱼自主游动性能的影响进行分析。[结果]结果表明:机器鱼靠近管道壁面游动会降低游动速度、推进力和游动效率,机器鱼在方形管道中的游动性能比在圆形管道中好,增大机器鱼的摆尾频率能提高推进力但会降低游动效率。[结论]研究结果可为管道检测机器鱼研发提供一定参考。 展开更多
关键词 仿生机器鱼 受限管道 自主游动 水动力学 数值模拟
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环形弹性杆扭转失稳特性的研究及应用
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作者 谢琦 袁卫锋 《应用力学学报》 北大核心 2025年第1期174-181,共8页
建立了环形弹性杆的有限元模型,研究其在连续扭转作用下的力学响应,分析环形弹性杆在不同约束条件下的多稳态特性。静力学模拟发现,承受扭矩的环形弹性杆在特定约束下发生突弹跳变,但失稳后的环形弹性杆恢复为其初始形状,因而存在循环... 建立了环形弹性杆的有限元模型,研究其在连续扭转作用下的力学响应,分析环形弹性杆在不同约束条件下的多稳态特性。静力学模拟发现,承受扭矩的环形弹性杆在特定约束下发生突弹跳变,但失稳后的环形弹性杆恢复为其初始形状,因而存在循环失稳的独特现象;动力学分析表明,环形弹性杆抗扭的变形模态和突跳翻转的时机不但依赖于其几何及材料性质,而且和扭转速度相关。据此,提出了一种单自由度功能-结构一体式机构,可通过环形弹性杆的扭转产生复杂的波浪形运动并被应用于仿生机器鱼的运动驱动中。与传统的机构相比,环形弹性杆机构结构简单,易于控制,在软体机器人设计中具有良好的应用前景。 展开更多
关键词 环形弹性杆 扭转失稳 有限元 仿生机器鱼
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