CN106300880B - 一种多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，该集群系统由多个粒子单元组成，当多个粒子单元构建成为集群系统后，可以进行编队运行，模拟例如鱼群、鸟群等多种集群行为。

Description

一种多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统
技术领域
本发明属于水下推进动力领域，涉及一种多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，适合于任意粒子单元数量、任意编队形式的粒子集群系统。
背景技术
随地球上的生物物种在漫长的演化过程中形成了丰富的行为特性，并且一直在不断地完善和发展，以更好的适应其所生存的环境。随着计算机的发展，人们期望借助计算机程序的形式创造出一些新型的智能体，于是对人类的大脑活动、生物物种的社会行为以及生物界的进化过程进行了模拟研究。实践表明，基于自然生态系统模拟而形成的演化计算方法是解决这类问题的有效手段。人们一直在利用来自生物系统的灵感来解决许多实际问题，并构造和设计出许多智能仿生优化算法。其中包括模拟生物界中自然选择和遗传机制的遗传算法、模拟蚂蚁群体觅食行为的蚁群算法、模拟人类大脑及其活动的人工神经网络、模拟哺乳动物免疫系统的人工免疫算法、模拟鱼群觅食行为的人工鱼群算法，以及模拟鸟类群体捕食行为的粒子群算法等。但是，以人工鱼群算法和鸟类粒子群算法为代表的集群模型中，其粒子个体在三维空间中运动，因此难以进行实验验证或分析。例如，虽然可以采用微型四轴直升机阵列对鸟群进行模拟，但是需要消耗大量能源和算法来克服重力，以实现悬浮。而采用机械鱼对鱼群运动进行模拟的可行性也非常差，首先，单个机械鱼的灵活性难以比拟真实鱼类，个体的运动误差进行累加和放大后，导致对集群整体运动的实验观测结果不具可信性；再次，单个的机械鱼的控制非常复杂，采用集群运动后的控制难度将进一步提高，制约其可行性。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种具备悬浮功能和高度调控灵活性的多自由度磁流体推进式水下粒子集群系统。
技术方案：本发明的一种多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，该集群系统由多个粒子单元组成，一个粒子单元包括励磁装置、表面电极、电极开关、绝缘不导磁基座和电源；该励磁装置和表面电极位于在绝缘不导磁基座上，且该励磁装置和表面电极交错分布，即相邻的两个励磁装置之间有一个表面电极；励磁装置的磁场方向与该粒子单元的外表面法向平行，相邻的两个励磁装置的磁场方向相反；所述表面电极分布在粒子单元外表面上，与外界环境相接触；任意一个表面电极均通过一个电极开关与电源相连接，所述电极开关有三种工作状态包括关断状态、与电源正极相连接、与电源负极相连接；该电极开关相互独立工作；励磁装置和相邻的表面电极在空间排布上形成一个圆环结构，称推力圆环，一个粒子单元共有三个推力圆环，且三个推力圆环所在平面两两垂直。
进一步的，本发明的电源为电压源或电流源。
进一步的，本发明的电源为直流电源或交流电源。
进一步的，本发明的一个表面电极具有三种工作状态，即不通电、与电源正极连接、与电源负极连接，一个表面电极在同一时刻只能处于上述三种工作状态中的一种。
进一步的，本发明的任意两个表面电极均相互独立工作。
进一步的，本发明的励磁装置为永磁体、电励磁装置或混合励磁装置。
进一步的，本发明的绝缘不导磁基座为球形、椭球形或其他凸面体结构。
进一步的，本发明的粒子单元还包括用于反馈粒子单元的位置信号和姿态信号的位置传感器和陀螺仪、控制单个粒子单元的运动方向和空间姿态的控制器。
进一步的，本发明的位置传感器为深度传感器、全球导航装置或声呐定位装置。
有益效果：本发明提出了一种多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，通过巧妙地将励磁装置和电极交错排布在球形绝缘不导磁基座上，形成具有悬浮能力和多自由度的球形粒子单元，多球形粒子单元构成集群系统，在对集群系统的模拟和分析领域展现出巨大潜力和优势。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.现有技术对集群行为的模拟，在三维空间中运动时，常借助微型多轴无人机进行模拟，这需要消耗大量的系统能源来克服重力，且对单个无人机的控制非常复杂；而在本发明中，通过合理选择绝缘不导磁基座的材质，可以使得各球形粒子单元在水下具有悬浮能力，巧妙的解决了重力的束缚，大大简化了系统的复杂程度和控制难度，尤其便于对集群行为的模拟和进行空间定位，为粒子集群行为的研究提供了崭新的思路。
2.本发明中，一个球形粒子单元具有三条推力圆环，每条推力圆环均可产生方向一致的推力，三条推力圆环的推力两两垂直，因此一个球形粒子单元的推力有三个自由度，分别沿正交直角坐标系的X、Y、Z方向。这极大提升了单个球形粒子单元的运动灵活性，便于构建集群系统。
3.本发明的粒子集群系统，推力产生方式为磁流体推进式，无需机械运动，可以使得采用本发明技术的水下装置具有非常低的噪声，尤其是，由于推力均匀分布在推力环上，可以避免传统的集中式推力对水流的扰动，这在对水下生物进行静默跟踪时具有极大优势，可以避免对水下生物的干扰，进行长时间静默跟踪、监测、观察。
4.本发明的粒子集群系统中，当励磁装置采用永磁体时，可减小球形粒子单元的体积，提高系统效率，缓解发热情况，进而降低对电源容量的需求。
5.本发明的粒子集群系统中，励磁装置和表面电极等主要发热部件与周围环境直接接触，提高了系统散热效率。
6.本发明的粒子集群系统中，一个球形粒子单元具有极高的容错运行性能，即励磁装置和表面的电极的部分损坏不影响球形粒子的继续运行。
7.本发明的粒子集群系统中，一个球形粒子单元的励磁装置和表面电极可采用模块化的加工方式，加工难度低、易于装配。尤其是可维护性高，在维修时仅需替换损坏部位，维修成本低、时间短。
综合上述可知，本发明的电磁流体推进器在集群行为模拟、水生生物监测、水下巡航、水生生物仿生学研究等领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明的一个球形粒子单元的示意图，其中有：励磁装置1、表面电极2、绝缘不导磁基座4；
图2是图1的前视图，其中有励磁装置1、表面电极2、电极开关3、球形绝缘不导磁基座4、电源5、控制器6、位置传感器7、陀螺仪8；
图3是本发明中，一个球形粒子单元的磁流体推力原理示意图；
图4是本发明的粒子集群系统的平面集群模式示意图；
图5是本发明的粒子集群系统的波浪状曲面集群模式示意图；
图6是本发明的粒子集群系统的管状集群模式示意图；
图7是本发明的粒子集群系统的立方体集群模式示意图；
图8是本发明的粒子集群系统的螺旋线集群模式示意图；
图9是本发明的粒子集群系统的脱氧核糖核酸(DNA)双螺旋状集群模式示意图。
具体实施方式
以如图1和图2所示的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统(下文中简称为粒子集群系统)的一个球形粒子单元为例，结合图3所示的磁流体推力产生原理，和图4至图8所示的集群状态，具体说明本发明的技术方案。
本发明的粒子集群系统的一个球形粒子单元包括励磁装置1、表面电2极、电极开关3、球形绝缘不导磁基座4、电源5、控制器6、位置传感器7、陀螺仪8；励磁装置1和表面电极2交错分布，即相邻的两个励磁装置1之间有一个表面电极2；励磁装置1和表面电极2位于在球形绝缘不导磁基座4上；励磁装置1的磁场方向与粒子单元的外表面法向平行，相邻两个励磁装置的磁场方向相反；表面电极2分布在粒子单元外表面上，与外界环境相接触；任意一个表面电极2均通过一个电极开关3与电源5相连接；所述电极开关3有三种工作状态，即关断状态、与电源5正极相连接、与电源5负极相连接；各电极开关3相互独立工作；所述的励磁装置1和相邻的表面电极2在空间排布上形成一个圆环结构，称推力圆环，一个球形粒子共有三个推力圆环，且三个推力圆环所在平面两两垂直。
此粒子集群系统由任意数量的球形粒子单元构成，各球形粒子单元独立工作。
此粒子集群系统的电源为电压源或电流源。
此粒子集群系统的电源为直流电源或交流电源。
此粒子集群系统的一个表面电极具有三种工作状态，即不通电、与电源正极连接、与电源负极连接，一个表面电极在同一时刻只能处于上述三种工作状态中的一种。
此粒子集群系统的表面电极相互独立工作。
此粒子集群系统的励磁装置为永磁体、电励磁装置或混合励磁装置。
此粒子集群系统的位置传感器为深度传感器、全球导航装置或声呐定位装置。
此粒子集群系统的绝缘不导磁基座为球形、椭球形或其他凸面体结构。
图3是本发明中，一个球形粒子单元的磁流体推力的产生原理，根据洛伦兹力的产生原理，当励磁装置的磁场方向和表面电极的通电方式如图3所示时，可以产生沿Z轴负方向的洛伦兹力，此洛伦兹力推动周围水流运动，反作用力推动水下装置沿Z轴正方向运动。通过改变表面电极的电压大小和极性，可以改变电磁推力的大小和方向。结合位置传感器和陀螺仪反馈的球形粒子单元的位置信号和姿态信号，由控制器发出指令，控制单个球形的运动方向和空间姿态。由励磁装置和相邻的表面电极在空间排布上构成一个圆环状，该推力圆环产生的电磁推力方向相同，沿圆环所在平面的法向。一个球形粒子单元共有三条推力圆环，三条圆环所在平面两两垂直，因此所产生的推力也两两垂直。使得该球形粒子单元的推力具有三个自由度，分布沿正交直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴。
图4是本发明的磁流体集群系统的平面集群模式示意图。此时，各球形粒子单元在空间排布上呈现为平面状，可应用于对二维集群运动状态的模拟，例如鸟类迁徙的运动规律。
图5是本发明的磁流体集群系统的波浪状曲面集群模式示意图。此时，各球形粒子单元在空间排布上呈现为波浪状，可用于对单个水生生物的鱼鳍运动规律进行模拟和分析。
图6是本发明的磁流体集群系统的管状集群模式示意图。此时，各球形粒子单元在空间排布上呈现为管状，可用于鱼群监测等领域。
图7是本发明的磁流体集群系统的立方体集群模式示意图。此时，各球形粒子单元在空间排布上呈现为立方体状，可应用于对鱼群规避行为、觅食行为等的模拟。
图8是本发明的磁流体集群系统的螺旋线集群模式示意图，为便于观察，在图中添加了运动轨迹线。此时，各球形粒子单元在空间排布上呈现为螺旋线状，可用于对条状水下生物，例如海鳗的运动规律进行模拟。
图9是本发明的磁流体集群系统的DNA双螺旋状集群模式示意图。此时，各球形粒子单元在空间排布上呈现为DNA双螺旋状阵列，可应用于大分子生物学和化学领域的分子状态模拟，例如DNA的运动和进化规律、双螺旋碳纳米管的合成研究等。
本发明磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统的运动模式包括，但不限于图4至图9所示的运动模式。本发明的粒子集群系统，非但适用于宏观集群行为的模拟和水生生物的观察、监测，还可以应用于对单个生物个体的仿生学研究，并且在大分子生物学和化学领域也展现出巨大的应用潜力。

Claims (9)

1.一种多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于，该集群系统由多个粒子单元组成，一个粒子单元包括励磁装置(1)、表面电极(2)、电极开关(3)、绝缘不导磁基座(4)和电源(5)；所述励磁装置(1)和表面电极(2)位于绝缘不导磁基座(4)上，且该励磁装置(1)和表面电极(2)交错分布，即相邻的两个励磁装置(1)之间有一个表面电极(2)；所述励磁装置(1)的磁场方向与该粒子单元的外表面法向平行，相邻的两个励磁装置(1)的磁场方向相反；所述表面电极(2)分布在粒子单元外表面上，与外界环境相接触；任意一个表面电极(2)均通过一个电极开关(3)与电源(5)相连接，所述电极开关(3)有三种工作状态，包括关断状态、与电源(5)正极相连接、与电源(5)负极相连接；所述电极开关(3)相互独立工作；所述的励磁装置(1)和相邻的表面电极(2)在空间排布上形成一个圆环结构，称推力圆环，一个粒子单元共有三个推力圆环，且三个推力圆环所在平面两两垂直。
2.根据权利要求1所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：所述的电源(5)为电压源或电流源。
3.根据权利要求1所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：所述的电源(5)为直流电源或交流电源。
4.根据权利要求1所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：所述的一个表面电极(2)具有三种工作状态，即不通电、与电源正极连接、与电源负极连接，一个表面电极(2)在同一时刻只能处于上述三种工作状态中的一种。
5.根据权利要求1所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：任意的两个所述的表面电极(2)均相互独立工作。
6.根据权利要求1所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：所述的励磁装置(1)为永磁体、电励磁装置或混合励磁装置。
7.根据权利要求1所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：所述的绝缘不导磁基座(4)为球形、椭球形或其他凸面体结构。
8.根据权利要求1所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：所述粒子单元还包括用于反馈粒子单元的位置信号和姿态信号的位置传感器(7)和陀螺仪(8)、控制单个粒子单元的运动方向和空间姿态的控制器(6)。
9.根据权利要求8所述的多自由度磁流体推进式水下悬浮粒子集群系统，其特征在于：所述的位置传感器(7)为深度传感器、全球导航装置或声呐定位装置。
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