CN102700694A - 仿乌贼型水下探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿乌贼型水下探测器，包括骨架、蒙皮以及探测器件，骨架包括至少5组振动梁，每组振动梁包括上梁、下梁、压电叠堆以及固定螺栓，压电叠堆设置在上梁和下梁之间，在压电叠堆两侧设置固定螺栓；蒙皮包括上表面蒙皮、下表面蒙皮和前端蒙皮，上表面橡胶蒙皮粘贴在上梁的上表面，下表面橡胶蒙皮粘贴在下梁的下表面，上表面蒙皮和下表蒙皮在前端位置与前端蒙皮粘贴在一起；探测器件设置在骨架的前端振动梁上；在每组振动梁的压电叠堆上施加振幅和频率相同的交流信号，且相邻两组振动梁上的交流信号相位差为90°本发明利用压电叠堆激励梁的共振或非共振振动模式进行驱动，具有结构简单、噪音低、重量轻、效率高、运动灵活等优点。

Description

仿乌贼型水下探测器

技术领域

本发明涉及一种水下探测机器人，具体是一种仿乌贼型水下探测器。

背景技术

乌贼是一种软体动物，依靠喷射和鳍波动的复合推进方式来实现巡游。在高速巡游状态下，乌贼的推进方式以高推力喷射为主，鳍波动为辅，可实现快速加减速，并在受攻击状态下迅速逃脱；当处于低速游动状态时，乌贼主要依靠鳍波动的推进方式，其中鳍波动推进方式可分为鳍尾缘动作曲线呈“~”形的基于阻力的推进和鳍尾缘动作曲线呈“∧”形的基于升力的推进，而基于阻力的推进方式在乌贼低速游动时效率最高。

乌贼特殊的复合游动方式对于人类探索未知的海洋世界具有重要的借鉴和引导意义。本发明模仿乌贼在低速巡游状态下依靠基于阻力推进的鳍波动方式，提出一种在非轴对称结构体上形成行波传动的方法，设计一种仿乌贼型水下探测器。

发明内容:

本发明旨在发明一种仿乌贼型水下探测器，具有结构简单、噪音低、重量轻、隐身效果好、效率高、运动灵活等特点。

本发明采用的技术方案是：

一种仿乌贼型水下探测器，包括骨架、蒙皮以及探测器件，所述的骨架包括至少5组振动梁，每组振动梁包括上梁、下梁、压电叠堆以及固定螺栓，所述的压电叠堆设置在上梁和下梁之间，在压电叠堆两侧设置所述的固定螺栓用于固定连接所述的上梁和下梁；所述的蒙皮包括上表面蒙皮、下表面蒙皮和前端蒙皮，其中上表面橡胶蒙皮粘贴在上梁的上表面，下表面橡胶蒙皮粘贴在下梁的下表面，同时上表面蒙皮和下表蒙皮在前端位置与前端蒙皮粘贴在一起；所述的探测器件设置在骨架的前端振动梁上；在所述的每组振动梁的压电叠堆上施加振幅和频率相同的交流信号，且相邻两组振动梁上的交流信号相位差为90°。

所述的振动梁从前端向后端长度和截面面积依此递减。

在所述的骨架的前端振动梁上设置有一功能装置，所述的探测器件固定在所述的功能装置上。

所述的骨架为非金属材料制成。

本发明公开的仿乌贼型水下探测器，利用压电叠堆的逆压电效应产生伸缩变形激励梁做弯曲振动，使得梁沿着长度方向的截面上的质点以截面中心线为原点作往复运动，不同长度处的截面质点的振幅不同。根据需要，调节压电叠堆的激励频率可以实现梁的不同阶数的弯曲振动。在压电叠堆的变形方向设置上梁和下梁，充分利用压电叠堆的轴向变形，实现单驱动、无固支、双梁同步弯曲振动。将若干组长度和截面积依次递减的双梁结构依次排列一起构建与乌贼的外套膜形状相似的水下探测器骨架，保证在每组双梁结构上设置的压电叠堆均能使上、下梁激励出相同的振动模式。根据振动梁两端自由的条件，它的固有振型和频率与梁的长度、截面积相关，要保证任意一个梁组均具有相同的振动频率和振型，应使梁的长度与截面积同时减小。将上、下表面橡胶蒙皮按照骨架的形状设计并粘贴在骨架的上下表面，形成水下探测器的外套膜。以五组振动梁作为一个例子，分别施加sin、cos、-sin、-cos、sin的电信号，它们之间的相位差分别为90°，从骨架的两端面观测振动梁的运动呈现行波传动，组成一个完整的行波。上、下表面橡胶蒙皮随着振动梁的运动也做行波传动，即一组又一组的行波接连不断地在上、下表面橡胶蒙皮上运动，因此上、下表面橡胶蒙皮与水作用时，对水产生一个与行波传动方向相同的力，因此水对上、下表面橡胶蒙皮产生一个反作用力推动着探测器向前运动。而乌贼的鳍推进方式与行波传动相同，因此本发明的水下探测器的上、下表面橡胶蒙皮相当于乌贼的鳍。前端橡胶蒙皮采用流线型的结构并粘贴在前端振动梁的前侧面，同时与上、下表面橡胶蒙皮粘贴在一起，最大程度的减少在水中运动所受的水的阻力。探测器件包括功能装置和若干触角，其中功能装置安装在前端橡胶蒙皮上，主要用来安装驱动器、探测器和控制器；而触角设置在功能装置前端，包含工作需求的若干传感器。

本发明具有以下特点：本发明利用压电叠堆的共振或非共振模式来驱动振动梁弯曲振动，使上、下表面橡胶蒙皮沿着一个方向做行波运动，实现了非轴对称结构上的行波传动，并与乌贼依靠鳍低速游动的方式一致，具有结构简单、噪音低、重量轻、效率高、运动灵活等优点；其次，利用非金属材料作为结构件的材质，可以使得探测器在水中实现隐身效果。

附图说明：

图1是仿乌贼型水下探测器的示意图。

图2是单组梁的结构示意图。

图3是双梁在一个周期内的振动情况。

图4 是一组梁列的结构示意图。

图5是仿无贼型探测器的主体结构示意图。

图6是一组梁列的截面示意图。

图7为一个周期内的行波传动过程。

1.上梁，2.下梁，3.上表面蒙皮，4.下表面蒙皮，5.功能装置，6.触角，7.流线型蒙皮，8.压电叠堆，9.垫块，10.固定螺栓。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的仿乌贼型水下探测器，如附图1所示，包括至少5跟振动梁构成的骨架、蒙皮和探测器件，每组振动梁包括上梁、下梁、压电叠堆、垫块和固定螺栓，其中上梁和下梁通过固定螺栓连接，并在上、下梁中间设置了压电叠堆和垫块，同时利用防水胶将压电叠堆密封起来；由四组振动梁组构成一个梁列，蒙皮采用橡胶材料制成，蒙皮包括上表面橡胶蒙皮、下表面橡胶蒙皮和前端橡胶蒙皮，其中前端蒙皮做成流线型，其中上表面橡胶蒙皮粘贴在梁列的上梁的上表面，下表面橡胶蒙皮粘贴在梁列的下梁的下表面，同时上、下表面橡胶蒙皮的前端位置与流线型前端橡胶蒙皮粘贴在一起，此外，流线型前端橡胶蒙皮与本发明仿乌贼型水下探测器的骨架中的第一组振动梁组的前端面粘贴在一起；功能装置主要用来安装控制器和探测器等功能型器件；触角包含若干个相关的传感器、检测器等。

本发明利用压电叠堆的逆压电效应产生大变形驱动振动梁弯曲振动，使得振动梁沿着长度方向的截面上的质点以截面中心线为原点作往复运动，不同长度处的截面质点的振幅不同。由于压电叠堆在伸缩变形方向上是同时伸长或者缩短，因此本发明设置了上、下梁，并将压电叠堆置于两梁中间，充分利用压电叠堆的大变形。此外，考虑压电叠堆正常工作状态下需要施加一定的预压力，因此在振动梁的振动节点上安装了非金属材质的固定螺栓，假定振动梁在压电叠堆的激励下进行二阶弯振，因此在振动梁的两个节点上各安装了一个固定螺栓，振动梁的结构示意图如附图2所示，一个周期内的振型变化如附图3的a、b、c和d所示。由于将上、下梁固定并且给压电叠堆施加预压力，因此需要设置至少2个固定螺栓，即振动梁至少处在2阶弯振状态。而压电叠堆被设置在振动梁的位移最大处所获得的梁的振动效果最佳，因此振动梁应处在2N（N≥1）阶弯振状态。当驱动电压激励压电叠堆产生变形后，上、下梁均进行一致的二阶弯曲振动，而且是处于自由振动状态，无固支端限制其的振动，减少了能量损耗，增大了压电叠堆的能量转换效率。

本发明将所述的4组振动梁组构成一个梁列，其中每组梁的几何参数（长度、截面积）均不一样，依次是长度变短，截面积变小，这样既能使得由梁列构建的水下探测器的骨架结构与乌贼的外套膜形状相似，又能保证每组梁都能在相应的谐振频率下进行同阶弯振，从而确保行波在橡胶蒙皮上的传播。附图4所示为一组梁列的结构示意图。橡胶蒙皮被粘贴在梁列的上、下梁的表面，首先作为梁组的连接部件，其次传递梁的振动，如附图5所示的仿乌贼型水下探测器的主体结构，由若干组梁列构成。从侧面看去，每一组梁均是做上下振动，若对一组振动梁列上的每个梁组施加不同的驱动信号，便可能在上、下橡胶蒙皮上形成行波传动。通过分析，本发明对梁列上的每个梁组的压电叠堆分别施加sin、cos、-sin、-cos信号，这样就得到了一个梁列上的振动状态，如附图6、图7所示，由一个梁列上的个组梁组和下一个梁列上的第一个梁组在同时激励下共同振动使上、下表面橡胶蒙皮做行波传动。附图6所示为一个完整的行波形成需要的梁的数量以及构成的骨架结构；附图7所示为在一个激励周期T内，行波在上、下表面橡胶蒙皮上的传动过程。因此，由若干梁列构建的仿乌贼型水下探测器的游动原理与乌贼在低速巡游状态下依靠鳍波动的推进方式一致，均为行波在外表面上的传动，与水体相互作用，从而推动机体向前运动。

本发明仿乌贼型水下探测器具有以下几个特点：

1.由于采用梁结构和蒙皮连接的方式，使得整个主体结构简单，并且容易实现，增大了运动过程中的灵活性；

2.充分利用压电叠堆的伸缩变形量，提高了能量转化效率，此外通过调节驱动频率可以使得压电叠堆工作在超声频段，彻底消去振动噪音；

3.对构成本发明的所有结构件均采用非金属材料，保证了仿乌贼型水下探测器在水中运动的隐身效果；

4.由若干梁组组成的振动梁列实现了非轴对称结构上的行波传动。

Claims (4)

1.一种仿乌贼型水下探测器，包括骨架、蒙皮以及探测器件，其特征在于：所述的骨架包括至少5组振动梁，每组振动梁包括上梁、下梁、压电叠堆以及固定螺栓，所述的压电叠堆设置在上梁和下梁之间，在压电叠堆两侧设置所述的固定螺栓用于固定连接所述的上梁和下梁；所述的蒙皮包括上表面蒙皮、下表面蒙皮和前端蒙皮，其中上表面橡胶蒙皮粘贴在上梁的上表面，下表面橡胶蒙皮粘贴在下梁的下表面，同时上表面蒙皮和下表面蒙皮在前端位置与前端蒙皮粘贴在一起；所述的探测器件设置在骨架的前端振动梁上；在所述的每组振动梁的压电叠堆上施加振幅和频率相同的交流信号，且相邻两组振动梁上的交流信号相位差为90°。

2.如权利要求1所述的仿乌贼型水下探测器，其特征在于：所述的振动梁从前端向后端长度和截面面积依此递减。

3.如权利要求1或2所述的仿乌贼型水下探测器，其特征在于：在所述的骨架的前端振动梁上设置有一功能装置，所述的探测器件固定在所述的功能装置上。

4.如权利要求3所述的仿乌贼型水下探测器，其特征在于：所述的骨架为非金属材料制成。

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