基于水下运动目标流场信息的仿生探测原理研究

发布时间：2017-05-18 19:17

  本文关键词：基于水下运动目标流场信息的仿生探测原理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：鱼类具有独特的水下感知方式，通过其侧线器官可以利用水介质的流动信息进行环境感知与探测，实现在复杂流体环境中的猎物追踪、目标识别等功能。该原理为水下探测技术提供了新的发展思路。本文以鱼类侧线感知原理为基础，探索以运动目标绕流场为信息源的目标探测机理。通过分析目标绕流场特征与目标参量（尺度、形状、位置、速度等）之间的关联关系，建立了一种新颖的水下感知算法。 首先，本文系统梳理了国内外鱼类侧线的生物结构研究、功能机理研究及仿生工程研究的成果，提出了以运动体绕流场为分析对象的等效分析模型，并介绍了绕流场分析中所涉及的相关理论。 其次，基于所建立的等效分析模型，进行了系统的仿真研究，初步揭示出水中运动体目标特性与运动体绕流场特征规律之间的关联性，即运动体目标特性对压力曲线的峰值、谷值、斜率等信息具有不同的影响规律。其中流场特征规律与目标速度、长度参量具有直接对应关系，但其他流场信息表现为目标长度、半径、探距特征参量集的耦合效应，需进一步的解耦研究。 最终，利用仿真研究结果，对目标特征参量集耦合作用下的绕流场信息进行解耦分析，分别揭示了长径比、探距与半径比对绕流场信息的影响规律；基于势流理论，进行了球头圆柱体头部绕流场规律的理论推导，获得了探距与半径比对测点压力的影响规律。在对仿生鱼类侧线对运动目标周围绕流场中物理信息的解析方式、目标特征参量集对绕流物理场的影响规律以及目标特征与物理场信息关联规律等问题初步探索的基础上，提出了一种利用运动目标自身绕流场信息感知运动目标并解析其特征参量（尺度、形状、位置、速度等）的方法。 本文基于新型的水下感知原理，论证了利用水下运动体绕流场信息进行目标探测是可行的，为基于鱼类侧线的仿生探测工程研究奠定了初步的理论基础和依据。
【关键词】：鱼类侧线 仿生探测 水下感知 绕流场 势流理论
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB17;P715.5;U674.70
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-21
• 1.2.1 鱼类侧线系统相关概述12-13
• 1.2.2 鱼类侧线生物学研究现状13-18
• 1.2.3 鱼类侧线仿生工程研究现状18-20
• 1.2.4 运动体绕流水压场应用研究现状20-21
• 1.3 本文研究内容21-23
• 第2章 仿生鱼侧线模型及理论分析23-37
• 2.1 引言23
• 2.2 鱼类侧线生物结构与功能分析23-27
• 2.2.1 鱼类侧线生物结构23-26
• 2.2.2 生物侧线系统的功能分析26-27
• 2.3 鱼类侧线生物模型介绍27-30
• 2.3.1 侧线探测振动源模型27-28
• 2.3.2 侧线探测尾涡流模型28-29
• 2.3.3 侧线探测速度场模型29-30
• 2.3.4 侧线探测压力场模型30
• 2.4 鱼类侧线模型选取和问题描述30-36
• 2.4.1 侧线模型中钝体绕流问题研究31-32
• 2.4.2 势流理论在侧线模型中的应用32-34
• 2.4.3 侧线模型中边界层和流动分离问题34-35
• 2.4.4 本文理论模型的描述35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 仿鱼侧线模型和仿真研究37-63
• 3.1 引言37
• 3.2 仿真模型的建立37-39
• 3.2.1 计算流域与工况设计37-38
• 3.2.2 网格的划分生成38-39
• 3.2.3 物理模型设定与边界条件选取39
• 3.3 球头圆柱体物理场规律分析39-43
• 3.3.1 球头圆柱体周围速度场规律分析39-41
• 3.3.2 球头圆柱体周围压力场规律分析41
• 3.3.3 球头圆柱体流场特征规律分析41-43
• 3.4 球头圆柱体特征参数关系分析43-62
• 3.4.1 速度参量对压力场影响规律分析43-45
• 3.4.2 长度参量对压力场影响规律分析45-49
• 3.4.3 探距参量对压力场影响规律分析49-51
• 3.4.4 半径参量对压力场影响规律分析51-54
• 3.4.5 多参量耦合情况下压力场影响规律分析54-62
• 3.5 本章小结62-63
• 第4章 圆柱体几何参量耦合关系分析63-80
• 4.1 引言63
• 4.2 长径比耦合关系分析63-70
• 4.2.1 小长径比下压力特征分布64-65
• 4.2.2 大长径比下压力特征分布65-66
• 4.2.3 长径比影响规律分析66-70
• 4.3 探距和半径耦合关系分析70-76
• 4.3.1 探距和半径小比例下物理场规律分析70-71
• 4.3.2 探距和半径大比例下物理场规律分析71-74
• 4.3.3 探距和半径耦合关系理论分析74-76
• 4.4 物理场规律解析目标特性方法分析76-78
• 4.5 本章小结78-80
• 结论80-82
• （一）研究成果80-81
• （二）主要贡献和创新点81
• （三）未来工作展望81-82
• 参考文献82-86
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单86-87
• 致谢87

【参考文献】

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本文编号：376946