[实用新型]一种鱼类尾鳍摆动推进效力测试装置

说明书

一种鱼类尾鳍摆动推进效力测试装置，用于鱼类尾鳍推进性能测试，其结构包括试验水槽、测试系统和供电系统，所述试验水槽包括水槽、金属架、调速泵、过滤棉，所述测试系统包括流速控制模块、执行模块、推力测试模块、计时模块、储存模块、数据处理模块、通讯模块、微控制器、电源模块，所述供电系统用于为整个装置提供电力保障。采用该装置，能够同时测出试验环境下的真实水流速度，对鱼尾模型的真实推进效果量化，并有具体的数值范围，便于分析生物个体的游泳行为；而且可以针对不同类型、不同形状、不同规格的尾鳍进行测验，包括尾鳍模型和活体尾鳍，更换过程简单方便，不同类型的尾鳍测试无需更改其他装置。

技术领域

本发明属于鱼类游泳行为研究领域，用于鱼类尾鳍在不同的摆动频率和不同摆动偏角下对机体产向前的推动力测试，是一种鱼类尾鳍推进性能测试模式设计。

背景技术

鱼类尾鳍摆动推进力是推动机体运动前进的主要动力，研究鱼类尾鳍动力推动机制能深化仿生、捕捞作业的研究意义。目前已有的尾鳍摆动性能测试方法有：1、摆动柔性鳍的尾流场测试。2、系泊测力试验测试推进力。3、计算流体力学方法分析仿鱼类摆尾推进系统的推进性能，分析来流漩涡和水翼摆动生成漩涡之间的相互作用模式。通过尾鳍摆动的水动力性能研究、水动力效果来探索其动力性能。4、利用先进的流场测量技术—数字式粒子图像测速系统对摆动尾鳍的流场进行了测试分析，研究了不同尾鳍及摆动参数对尾涡流场结构的影响，基于流场的测试信息建立了摆动尾鳍水动力性能计算模型，开展了摆动尾鳍推力及推力矩的试验测量与分析。目前较为普遍的方法基本都以流体力学为基础，对尾流场的分析。

摆动柔性鳍的尾流场测试是建立仿生拍动推进推力和效率的测量平台，通过电机的转动扭矩、转动角速度及推进力计算得到仿生推进系统的推进效率(η＝UF/Pin)。将尾鳍固定在在循环式水洞中，用来流速度U模拟巡航速度，假设主体受到的平均阻力正好为F，设置电机的不同角速度ω和输出扭矩M来控制电机的输出功率。该方法主要控制参数是摆角和频率，计算不同参数情况下的推进效率，并加以比较。系泊测力试验是研制仿鲤鱼机器鱼平台，选择最常见的身体—尾鳍驱动(BCF)方式，以三个舵机直接控制三个关节的运动。主要由头部、中间支撑板、尾部和尾鳍等部分组成，其转角函数根据整个鱼尾来拟合给定的在一个周期内离散的体波曲线。机器鱼头部与测力天平固定，控制系统位于头腔，舵机控制机器鱼尾鳍摆动产生推进力，测力天平测得的力通过放大器放大，再到达采集卡，输入上位机。摆动振幅、摆动频率、尾鳍形状的改变下测试其平均推力。

尾流场的测试装置中没有将实际摆动情况下的实际推动力测试出来，没有具体的数据范围概念，由于模型一旦开始测试则是运动的状态，不同的运动强度下，模型与水体之间产生的相互作用力有差异，因此，假设的平均阻力F也只是适合在当下的摆角和频率下。其次是假设水流速度U，控制整个测试环境的水流流速，可以在同一流速下比较尾鳍摆动推进效率，不同流速下，水流对模型周围流场产生不同程度的影响，无法忽视其中不同的影响，因此，不同流速下的推进效率比较欠缺说服力。

系泊实验中尾鳍的摆动产生的推进力通过关节连接点作用于机器鱼躯体、躯体的特殊形状使这个力产生不同方向的分力，使之水平传递到头部并与测力天平的连接点产生杠杆原理的推进力减小，必须通过放大器放大输入上位机。支点由于机器鱼躯体部分是空腔，水平推进力与垂直测力天平的支点在体腔内，并不在测力天平与鱼体的实体连接处。因此，对实际的推进效果测试有较大的影响。

因此，在进行鱼类尾鳍推动力性能测试时，需要测出试验环境下的真实水流速度，对鱼尾模型的真实推进效果量化，并且有具体的数值范围，便于分析生物个体的游泳行为。

发明内容

本发明旨在提供一种测试鱼类尾鳍推动力性能的装置及方法，实现尾鳍摆动频率、幅度的可控性，通过杠杆原理放大尾鳍摆动推力，直接集取尾鳍摆动过程推力的连续变化量和变化趋势，研究尾鳍摆动的水动力性能，探索其水动力效果。

本发明的具体技术方案为：