CN114216666B - 一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，包括仿生鱼摆动器，用于模拟被测仿生潜航器；动力驱动系统，用于动仿生摆动器在水箱中进行摆动运动；高速成像系统，获取仿生摆动器在水箱中的摆动形态图像；PIV测速仪，实时获取仿生摆动器的摆动作用下水箱中流体流场的速度；数据测量系统，实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性、实时监测仿生摆动器运动状态下连杆的应变量；信息控制系统，发送同步触发信号至动力驱动系统、高速成像系统和数据测量系统，统一控制仿生摆动系统、高速成像系统、数据测量系统的工作状态；信息处理系统，综合仿生摆动器的摆动频率、摆动幅值、噪声、应力、速度，对仿生摆动推进器的综合性能进行评价。

Description

一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台

技术领域

本发明涉及仿生动力学科领域，具体应用的工程领域是，仿生潜航器推进性能精确测量领域。

背景技术

仿生潜航器模仿深海鱼类的运动模式，具有低能耗、大机动航行、噪声低等优势，在复杂水文环境下的海底探测、静音追踪、大机动航行等场景中具有潜在应用价值。构建仿生潜航器推进性能测试平台是提升仿生潜航器运动性能、操控性能、噪声性能的关键步骤，为研制高推进性能的仿生潜航器提供了试验依据和理论基础。

仿生潜航器推进性能试验平台通常采用高速摄像系统、PIV粒子测速系统、六自由度测力系统、噪声监测系统等方法，分别单一地对仿生潜航器的运动形态、运动速度、水动力、以及噪声谱进行研究。但是，目前尚无一体化测试平台对仿生潜航器摆动推进机理进行综合、全面地航行指标进行试验与评价。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种仿生潜航器推进性能一体化测试平台，综合测量仿生推进潜航器的运动、动力、以及噪声等方面的试验数据，获得评价仿生推进潜航器的综合评价指标。

本发明解决技术问题的方案是：一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，该平台包括仿生鱼摆动器、动力驱动系统、高速成像系统、PIV测速仪、数据测量系统、信息处理系统、信息控制系统；其中：

仿生鱼摆动器，用于模拟被测仿生潜航器，通过连杆连接至动力驱动系统驱动输出端；

动力驱动系统，收到同步触发信号之后，按照仿生潜航器的运动参数，驱动仿生摆动器在水箱中进行摆动运动，模拟仿生潜航器的真实运动；所述运动参数包括摆动频率f₀和摆动幅值A₀；

高速成像系统，获取仿生摆动器在水箱中的摆动形态图像，收到同步触发信号之后，将仿生摆动器在水箱中的摆动形态图像发送给信息处理系统；

PIV测速仪，收到同步触发信号之后，用于定量化捕捉仿生摆动器运动状态，实时获取仿生摆动器的摆动作用下水箱中流体流场的速度和涡量，发送给信息处理系统；

数据测量系统，收到同步触发信号之后，实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性、实时监测仿生摆动器运动状态下连杆的应变量，将真实噪声辐射特性和连杆的应变量发送给信息处理系统；

信息控制系统，发送同步触发信号至动力驱动系统、高速成像系统和数据测量系统，统一控制仿生摆动系统、高速成像系统、数据测量系统的工作状态；

信息处理系统，根据摆动形态图像，推算仿生摆动推进器的真实摆动频率f₁和摆动幅值A₁；根据连杆的应变量，计算被测仿生潜航器在摆动过程中产生的应力S₁；根据仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性，通过噪声传感器内置的背景噪声滤波处理，提取仿生摆动推进器自身产生的噪声源及噪声级，根据PIV测速仪得到的预设的时间段内流场速度，得到流场的平均速度V₁，综合仿生摆动器的摆动频率、摆动幅值、噪声、应力、速度，对仿生摆动推进器的综合性能进行评价。

优选地，仿生鱼摆动器、动力驱动系统、高速成像系统、PIV测速仪、数据测量系统、信息处理系统、信息控制系统的时间同步；

优选地，所述仿生推进器运动性能根据仿生推进器运动性能公式计算得到，仿生推进器运动性能公式为：

其中，η是评价仿生摆动推进的综合指标参数，N1是噪声传感器测量的噪声辐射特性，S1是被测仿生潜航器在摆动过程中产生的应力；A1是被测仿生潜航器的摆动幅值，f1是被测仿生潜航器的运动频率；V1是流场的平均速度N₀、S₀、A₀、f₀、V₀分别为噪声传感器、应力传感器、仿生鱼摆动幅值、频率、速度的设计参数值；C_i为分指标参数的权重参数，i＝1-5。

优选地，所述分指标参数的权重参数C_i的取值范围为0～1。

优选地，所动力驱动系统采用动力驱动电机实现。

优选地，所述数据测量系统包括应力传感器、噪声传感器；

应力传感器，用于实时监测仿生摆动器运动状态下对连杆的应力应变作用；

噪声传感器，用于实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明的设计方法，突破一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，可实现对仿生潜航器摆动推进的航行指标进行综合、全面的试验与评价。

(2)、本发明提出一种仿生摆动推进简化模拟方法，通过对摆动推进方式中的摆动幅值和频率进行模拟，可有效反映仿生摆动推进的主要特征。

(3)、本发明提供一种多物理场同步测量的试验方法，通过对应力、噪声、速度、形态等信息的同步监测，实现对摆动推进的全面认知。

附图说明

图1为本发明实施例仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

为满足综合、全面地评价仿生潜航器摆动推进性能的工程需求，实现对仿生潜航器运动过程中的图像信息、速度信息、应力信息、噪声信息等多物理场信息的同步测量，需要克服测量平台一体化设计的难点。

本发明综合考虑仿生推进潜航器在效率、机动以及噪声等方面的固有优势，构建仿生摆动推进潜航器一体化试验平台，精细化测量仿生推进潜航器的运动、动力、以及噪声等方面的试验数据，获得评价仿生推进潜航器的综合评价指标，为高性能仿生潜航器的研制提供理论基础。

仿生摆动系统是对仿生潜航器摆动推进系统的简化处理，主要包含仿生鱼摆动器和动力驱动电机等部件。

仿生潜航器摆动推进的主要参数方程为F(T)＝Asin(wT+θ)，其中，T为时间，A为摆动幅值，w为摆动圆频率，θ为相位角。

仿生潜航器摆动推进的主要参数为摆动频率和摆动幅值，通过动力电机可以有效模拟仿生潜航器摆动推进的主要性能参数(摆动频率w和摆动幅值A)，进而应用动力电机驱动仿生摆动器在水箱中进行摆动运动，模拟仿生潜航器的真实运动。

高速成像系统可以获得仿生摆动器的摆动形态图像及其摆动作用下的流场结构图像。动力电机驱动下的仿生摆动器的运动姿态可以采用高速摄像进行形态观测，以此校核电机输出模态与真实作用效果模态的差异，以此推测水动力的影响效果。此外，仿生摆动器运动状态下可以诱导水箱中流体的复杂旋涡流动，该流体现象可以通过PIV测速仪进行定量化捕捉。通过PIV测速系统可以分析出流速场、涡量场以及湍流旋涡结构等水动力信息的精细化结果，对分析仿生摆动潜航器具有重要的指导意义。

数据测量系统主要包含应力传感器、噪声传感器等部件。仿生摆动器运动下可以产生一定的辐射噪声以及对潜航器机构的连接强度的影响。采用噪声传感器可以实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性，通过噪声传感器内置的背景噪声滤波处理，可以提取仿生摆动推进器自身产生的噪声源及噪声级，指导其声隐身能力设计。同时，采用应力传感器可以实时监测仿生摆动器运动状态下对连杆的应力应变作用，对于仿生航行器的结构强度设计具有重要意义。

信息处理系统是负责同步释放测量信号、数据采集信号、以及对各类数据进行分类处理的关键支撑系统，主要包含同步控制器、电脑等部件。同步控制器可以通过释放触发信号，统一控制仿生摆动系统、高速成像系统、数据测量系统的工作状态；当各系统完成信号释放及数据捕捉任务后，可将获得图像信息、速度信息、应力信息、噪声信息等同步传输到电脑中，通过电脑中的信息后处理软件进行归类及分析。

综上所述，为满足弹体适应高速入水及水下快速转平弹道的需求，本发明提供一种仿生潜航器推进性能一体化测试平台，包括仿生鱼摆动器、动力驱动系统、高速成像系统、PIV测速仪、数据测量系统、信息处理系统、信息控制系统；仿生摆动系统、动力驱动系统、高速成像系统、PIV测速仪、数据测量系统、信息处理系统、信息控制系统的时间同步；其中：

仿生鱼摆动器，用于模拟被测仿生潜航器，通过连杆连接至动力驱动系统驱动输出端；

动力驱动系统，收到同步触发信号之后，按照仿生潜航器的运动参数，驱动仿生摆动器在水箱中进行摆动运动，模拟仿生潜航器的真实运动；所述运动参数包括摆动频率f₀和摆动幅值A₀；

高速成像系统，获取仿生摆动器在水箱中的摆动形态图像，收到同步触发信号之后，将仿生摆动器在水箱中的摆动形态图像发送给信息处理系统；

PIV测速仪，收到同步触发信号之后，用于定量化捕捉仿生摆动器运动状态，实时获取仿生摆动器的摆动作用下水箱中流体流场的速度和涡量，发送给信息处理系统；

数据测量系统，收到同步触发信号之后，实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性、实时监测仿生摆动器运动状态下连杆的应变量，将真实噪声辐射特性和连杆的应变量发送给信息处理系统；

信息控制系统，发送同步触发信号至动力驱动系统、高速成像系统和数据测量系统，统一控制仿生摆动系统、高速成像系统、数据测量系统的工作状态；

信息处理系统，根据摆动形态图像，推算仿生摆动推进器的真实摆动频率f₁和摆动幅值A₁；根据连杆的应变量，计算被测仿生潜航器在摆动过程中产生的应力S₁；根据仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性，通过噪声传感器内置的背景噪声滤波处理，提取仿生摆动推进器自身产生的噪声源及噪声级，根据PIV测速仪得到的预设的时间段内流场速度，得到流场的平均速度V₁，综合仿生摆动器的摆动频率、摆动幅值、噪声、应力、速度，对仿生摆动推进器的综合性能进行评价。

所述仿生推进器运动性能根据仿生推进器运动性能公式计算得到，仿生推进器运动性能公式为：

其中，η是评价仿生摆动推进的综合指标参数，N1是噪声传感器测量的噪声辐射特性，S1是被测仿生潜航器在摆动过程中产生的应力；A1是被测仿生潜航器的摆动幅值，f1是被测仿生潜航器的运动频率；V1是流场的平均速度N₀、S₀、A₀、f₀、V₀分别为噪声传感器、应力传感器、仿生鱼摆动幅值、频率、速度的设计参数值；C_i为分指标参数的权重参数，i＝1-5。所述分指标参数的权重参数C_i的取值范围为0～1。通过对比η的数值，进而对比不同摆动仿生推进器的综合性能参数，进而评价不同仿生推进器的性能优劣情况

优选地，所动力驱动系统采用动力驱动电机实现。

优选地，所述数据测量系统包括应力传感器、噪声传感器；

应力传感器，用于实时监测仿生摆动器运动状态下对连杆的应力应变作用；

噪声传感器，用于实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，其特征在于包括仿生鱼摆动器、动力驱动系统、高速成像系统、PIV测速仪、数据测量系统、信息处理系统、信息控制系统；其中：

仿生鱼摆动器，用于模拟被测仿生潜航器，通过连杆连接至动力驱动系统驱动输出端；

动力驱动系统，收到同步触发信号之后，按照仿生潜航器的运动参数，驱动仿生摆动器在水箱中进行摆动运动，模拟仿生潜航器的真实运动；所述运动参数包括摆动频率f₀和摆动幅值A₀；

高速成像系统，获取仿生摆动器在水箱中的摆动形态图像，收到同步触发信号之后，将仿生摆动器在水箱中的摆动形态图像发送给信息处理系统；

PIV测速仪，收到同步触发信号之后，用于定量化捕捉仿生摆动器运动状态，实时获取仿生摆动器的摆动作用下水箱中流体流场的速度和涡量，发送给信息处理系统；

数据测量系统，收到同步触发信号之后，实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性、实时监测仿生摆动器运动状态下连杆的应变量，将真实噪声辐射特性和连杆的应变量发送给信息处理系统；

信息控制系统，发送同步触发信号至动力驱动系统、高速成像系统和数据测量系统，统一控制仿生摆动系统、高速成像系统、数据测量系统的工作状态；

信息处理系统，根据摆动形态图像，推算仿生摆动推进器的真实摆动频率f₁和摆动幅值A₁；根据连杆的应变量，计算被测仿生潜航器在摆动过程中产生的应力S₁；根据仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性，通过噪声传感器内置的背景噪声滤波处理，提取仿生摆动推进器自身产生的噪声源及噪声级，根据PIV测速仪得到的预设的时间段内流场速度，得到流场的平均速度V₁，综合仿生摆动器的摆动频率、摆动幅值、噪声、应力、速度，对仿生摆动推进器的综合性能进行评价。

2.根据权利要求1所述的一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，其特征在于仿生鱼摆动器、动力驱动系统、高速成像系统、PIV测速仪、数据测量系统、信息处理系统、信息控制系统的时间同步。

3.根据权利要求1所述的一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，其特征在于所述仿生潜航器运动性能根据仿生推进器运动性能公式计算得到，仿生推进器运动性能公式为：

其中，η是评价仿生摆动推进的综合指标参数，N1是噪声传感器测量的噪声辐射特性，S1是被测仿生潜航器在摆动过程中产生的应力；A1是被测仿生潜航器的摆动幅值，f1是被测仿生潜航器的运动频率；V1是流场的平均速度N₀、S₀、A₀、f₀、V₀分别为噪声传感器、应力传感器、仿生鱼摆动幅值、频率、速度的设计参数值；C_i为分指标参数的权重参数，i＝1-5。

4.根据权利要求3所述的一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，其特征在于所述分指标参数的权重参数C_i的取值范围为0～1。

5.根据权利要求1所述的一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，其特征在于所动力驱动系统采用动力驱动电机实现。

6.根据权利要求1所述的一种仿生潜航器摆动推进性能一体化测试平台，其特征在于所述数据测量系统包括应力传感器、噪声传感器；

应力传感器，用于实时监测仿生摆动器运动状态下对连杆的应力应变作用；

噪声传感器，用于实时监测仿生摆动器运动状态下的噪声辐射特性。