CN109131807A - 一种仿生蓝点魟水下推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动；所述主体前部连接有头部结构，所述头部结构前侧具有两个仿生凹槽，所述凹槽位置安装有传感器。本发明按照功能仿生的思路研制具有类似仿生对象的运动特征从而实现真正神似的仿生效果；同时基于该结构，实现了观测功能。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器领域，尤其是涉及一种仿生结构航行器。
背景技术
随着人类文明的不断发展，地球上陆地资源日趋枯竭。因此，人类开始将目光投向海洋。人类对海洋的开发利用已逐渐成为当前科学研究的热点，适应海洋环境的水下推进器是人类开发和勘探海洋资源所必需的工具。目前绝大多数的水下推进器采用了螺旋桨推进系统
以螺旋桨作为推进系统的水下推进器，存在效率低、推进噪音大、产生较大尾涡影响周围生态环境、机动性能差、系统体积大、瞬时响应的严重滞后、可靠性难以保证等缺点，所以以螺旋桨为推进系统的水下航行器不能满足高机动性、运动灵活等要求。
而随着人类对海洋的不断了解，以蓝点魟、蝠鲼、大西洋牛鼻鲼等为典型代表的鳐形目鱼类，具有良好的运动性能，游动机动性强，鱼鳍受载面积大，游动扰动小，其超凡的游动机动性能、低扰动性和高效率是传统的螺旋桨推进系统所望尘莫及的。鳐鱼的游动推进模式具有高机动性、低扰动性以及高效率等传统推进系统所不具备的优点，为人类研究和开发能够更好地适应海洋水下环境的推进系统提供了模仿对象。
螺旋桨产生推力面产生机动控制力，这种机械设计对于推进器巡航速度行驶于空旷的海域的应用领域是经济有效的，但是由于机动控制力依赖于流体在操控舵面上流动产生的升力，在低速下难以实现机动，此外这类推进器在尾迹产生大量大带宽的噪声，导致一些水下生态系统遭到破坏。
波动鳍推进，通过波动或摆动硕大柔韧的胸鳍产生推进力，在复杂环境下也能保持很高的机动性能并能很好的抑制紊流(湍流)。但由于波动鳍在波动过程中水的相互作用十分复杂，目前还没有一个能十分准确描述波动模型的理论。已有的鱼类推进理论大都基于势流、线性边界条件和尾迹形状固定的假设，尚不能分析流体与鱼体之间的非线性作用，也无法解决尾迹的动态变化问题，不能精确描述真实鱼类的游动过程，计算结果仅能定性地指导仿生机器鱼的设计。但是目前基于波动鳍的航行器原型机的研制以及航行器在水中的多模态运动控制及定深定向等简单闭环控制运动等功能不太成熟，水下航行器与真实波动鳍推进鱼类游动还存在非常明显的差距。
现有仿生航行器还存在仿生航行器在观测应用等方面的具体研究。
发明内容
针对以上现有技术问题，本发明的目的在于提供一种按照功能仿生的思路研制具有类似仿生对象的运动特征，进而为波动鳍运动学建模以及计算流体力学仿真计算提供依据，也为波动鳍推进单元的仿生结构设计提供参考，并基于该结构的实现观测等功能的水下推进器。,
具体技术方案如下：
一种仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动；所述主体前部连接有头部结构，所述头部结构前侧具有两个仿生凹槽，所述凹槽位置安装有传感器。
进一步地，所述传感器包括摄像头和声波避障换能器。
进一步地，所述摄像头使用AV接口的水下摄像头，配和免驱动的视频采集卡。
进一步地，所述头部结构通过旋转轴固定在所述水下推进器的支架结构，舵机的摆臂固定在所述头部结构上，且所述旋转轴与所述舵机的摆臂轴心在一条线上。
进一步地，所述旋转轴上加有轴承。
进一步地，所述偏心轮上设有六边形的固定孔，所述偏心轮轴为六棱柱,所述U形架具有卡钳，所述卡钳内设滑槽用于偏心轮的滑动，垂直于所述卡钳平面的方向上设置凹槽防止转动时与所述偏心轮轴抵触；和/或，所述摆动结构以所述主体的核心桶为中心对称设计；
进一步地，所述偏心轮轴由所述电机驱动，各个偏心轮轴向间距固定，周向角度差相等，且各个鳍条间相位差相等；和/或，所述摆动结构的数量及间距为使用8根鳍条，每根之间间隔44mm,第一根到第八根之间的距离308mm,形成相位差为60度，约1.17个波数；和/或，所述偏心轮，直径为40mm厚度为3mm的铝合金，其中固定孔为边长为2的六边形，固定孔距离偏心轮圆心距离为15.5mm,最大摆角在±20度左右；和/或，所述偏心轮轴采用铝合金六棱柱；和/或，所述头部结构，采用PLA材质60％填充进行3D打印而成；和/或，所述鳍条采用碳纤维板或柱形的碳纤维，所述碳纤维板厚度1.5mm。
进一步地，所述水下推进器的蒙皮材料，使用20度硅胶均匀涂抹在氨纶布料上；和/或，所述水下推进器的背鳍处加一层硬度较大的硅胶板，蒙皮紧密的贴合在硅胶板上；和/或，所述蒙皮固定采用布兜结构，所述蒙皮材料的背部左、右、上部分设置布兜以固定鳍条头部。
与目前现有技术相比，本发明的优点在于：按照功能仿生的思路研制具有类似仿生对象的运动特征从而实现真正神似的仿生效果；同时基于该结构，实现了观测功能。具体结构优点在具体实施方式部分中体现
附图说明
图1为仿生蓝点魟整体结构图；
图2为胸鳍整体结构图；
图3为胸鳍摆动结构图；
图4为两侧摆动结构加核心桶截面图；
图5为U型架侧面图；
图6为U型架凹槽示意图；
图7为头部结构整体结构图。
图中附图标记：偏心轮轴1,转动主轴2,U形架3,鳍条4,偏心轮5,转动主轴孔6,仿生凹槽7,旋转轴8,固定孔9,卡钳10,滑槽11,凹槽12。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
参见图1-7，仿生蓝点魟水下推进器包括一对胸鳍、主体、和尾巴系统，在设计MPF模式仿生航行器的设计时，为完成基本的六个自由度的运动之外，必须要有良好的机动性、扰动小、高效率等特点，所以在实际机械设计中，须满足以下要求。
a.在整个机械设计时，一定要考虑仿生航行器的所受浮力和自身重力的大小。尽量保证航行器本身在水里属于零浮力状态，另外保证质量呈左右前后对称，仿生航行器的总体重心和浮心位于整个航行器的中间位置。重心要低，在中心的正下方，这样才能保证航行器在水中航行时即使有外界的扰动依然能平稳的运动。在选择各个零件的时候，在满足零件强度等性能的前提下，尽量选择质量轻的材料，减轻航行器本身的重量。
b.考虑到航行器的推进方式时胸鳍的推动方式，所以胸鳍部位的机械设计和蒙皮材料要保证能产生良好的波形效果，且波形完整，易于控制。所以要机械结构稳定，蒙皮材料尽量选择高弹性、低硬度的柔性材料，最终能产生相应的柔性变形。尽量使用圆滑的过渡流线和减阻材料减小航行器在水中的阻力。
c.头部结构为控制航行器沉浮的主要部位，必须要能在一个自由度旋转，主要由舵机驱动，且为传感器(摄像头、避障换能器)预留了位置，且设计本身要尽量与仿生对象的外形形似，根据水下流体分析及和其他元件和机械结构的配合。
一种仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴1和转动主轴2，所述摆动结构包括U形架3和鳍条4，所述鳍条4固接在所述U形架3上，所述U形架3内设偏心轮5，各偏心轮5固定在偏心轮轴1上，所述U形架3还设有转动主轴孔6，所述U形架3可围绕所述转动主轴2转动；所述主体前部连接有头部结构，所述头部结构前侧具有两个仿生凹槽7，所述凹槽位置安装有传感器。
进一步地，所述传感器包括摄像头和声波避障换能器。
进一步地，所述摄像头使用AV接口的水下摄像头，配和免驱动的视频采集卡。
摄像头主要采集水下航行器前方的图片，自身必须要有一定的防水性能，摄像头一般分为网络摄像头、模拟摄像头、USB摄像头，但就目前的市场上成熟的水下摄像头来说网络摄像头和USB摄像头一般没有成熟的水下产品，亦或者体积较大，不适合在小型的仿生航行器上使用，模拟摄像头虽然获取图像较为复杂，但是体积小，水下密封技术成熟，有相对成熟的产品。体积较小网络摄像头图像数据可以通过视频流的方式，便于扩展，使用范围广，但是要对网络摄像头单独进行防水，能做到轻量级的WIFI摄像头体积小，但是其续航能力不佳，且信号咋水下传播受阻，基本不能通信，所有此种方案不是很完善。本发明选择使用AV接口的水下摄像头，配和免驱动的视频采集卡，在树莓派上的使用mplayer媒体播放器进行摄像头的图像的显示渲染工作。
声波换能器检测实现仿生蓝点魟最基本避障功能。航行器仅在前部装有一个声波换能器来实现前部避障,换能器使用型号为DYW-1M_01I,的水下测距换能器,其工作电压为24V,量程最大距离为3m,能在3米内能识别障碍物完成避障功能。
进一步地，所述头部结构通过旋转轴固定在所述水下推进器的支架结构，舵机的摆臂固定在所述头部结构上，且所述旋转轴与所述舵机的摆臂轴心在一条线上。
进一步地，所述旋转轴上加有轴承。旋转轴上加有轴承减少头部结构的摩擦。
进一步地，所述偏心轮上设有六边形的固定孔，所述偏心轮轴为六棱柱,所述U形架具有卡钳，所述卡钳内设滑槽用于偏心轮的滑动，垂直于所述卡钳平面的方向上设置凹槽防止转动时与所述偏心轮轴抵触；和/或，所述摆动结构以所述主体的核心桶为中心对称设计。
偏心轮实际最终确定为直径为40mm厚度为3mm的铝合金，其中固定孔为边长为2的六边形，固定孔距离偏心轮圆心距离为15.5mm,最大摆角在±20度左右。其中固定孔理论上在圆内距离偏心轮中心越大越好，但是实际上不能太靠近圆的边缘处，不然会和接触的U型架的设计抵住，从而使整体卡住，且U型架的设计也要考虑这一点。实际制作过程中要保证与铝合金六棱柱完全固定住，使用专用的粘合金属的AB胶即可，在圆的边缘处要适合的磨去其棱角，尽最大可能的减少与U型架之间的摩擦。其中铝合金六棱柱主要考虑其重量以及刚性，铝合金六棱柱要和偏心轮之间同步旋转，保证其之间不会实现相对转动。另外在考虑公差加工之后要保证六棱柱和偏心轮之间要完全垂直。
进一步地，所述偏心轮轴由所述电机驱动，各个偏心轮轴向间距固定，周向角度差相等，且各个鳍条间相位差相等；和/或，所述摆动结构的数量及间距为使用8根鳍条，每根之间间隔44mm,第一根到第八根之间的距离308mm,形成相位差为60度，约1.17个波数；和/或，所述偏心轮，直径为40mm厚度为3mm的铝合金，其中固定孔为边长为2的六边形，固定孔距离偏心轮圆心距离为15.5mm,最大摆角在±20度左右；和/或，所述偏心轮轴采用铝合金六棱柱；和/或，所述头部结构，采用PLA材质60％填充进行3D打印而成；和/或，所述鳍条采用碳纤维板或柱形的碳纤维，所述碳纤维板厚度1.5mm。
摆动结构的数量及其间距决定最后形成的波数和波长，按照推进波的波形拟合条件确定合理的鳍条数，鳍条数越多越能产生柔顺的波形，鳍条数码太少则波动鳍鳍面呈现的正弦波数太少，而蓝点魟鳍条数有二百条以上，而根据香农采样定理为能模仿正弦运动，两根鳍条至少满足相位差小于90度，而蓝点魟在运动波数介于1.2-1.5之间，综合考虑到上述胸鳍设计整体的长度及冗余，最终使用8根鳍条，每根之间间隔44mm,第一根到第八根之间的距离308mm,形成相位差为60度，约1.17个波数(理想为1.25)。
进一步地，所述水下推进器的蒙皮材料，使用20度硅胶均匀涂抹在氨纶布料上；和/或，所述水下推进器的背鳍处加一层硬度较大的硅胶板，蒙皮紧密的贴合在硅胶板上；和/或，所述蒙皮固定采用布兜结构，所述蒙皮材料的背部左、右、上部分设置布兜以固定鳍条头部。
低弹模量的轻质非金属材料成为优先考虑的对象,如橡胶、软塑料等。但是过柔会使鳍面形状不可控制,反而降低推进器的游动性能。最后使用20度硅胶均匀涂抹在氨纶布料上，保证其弹性和柔性。
另外，为保证航行器蒙皮整体中间的近乎刚性和旁边的柔性，在航行器的背鳍处加一层硬度较大的硅胶板，蒙皮紧密的贴合在硅胶板上，保证背鳍处的中心隆起及近刚性。左右上部分的布兜均是为了固定鳍条头部等其他移动部位，保证不会被是运动结构卡死。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动；所述主体前部连接有头部结构，所述头部结构前侧具有两个仿生凹槽，所述凹槽位置安装有传感器。
2.如权利要求1所述的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述传感器包括摄像头和声波避障换能器。
3.如权利要求2所述的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述摄像头使用AV接口的水下摄像头，配和免驱动的视频采集卡。
4.如权利要求1所述的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述头部结构通过旋转轴固定在所述水下推进器的支架结构，舵机的摆臂固定在所述头部结构上，且所述旋转轴与所述舵机的摆臂轴心在一条线上。
5.如权利要求4所述的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述旋转轴上加有轴承。
6.如权利要求1所述的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述偏心轮上设有六边形的固定孔，所述偏心轮轴为六棱柱,所述U形架具有卡钳，所述卡钳内设滑槽用于偏心轮的滑动，垂直于所述卡钳平面的方向上设置凹槽防止转动时与所述偏心轮轴抵触；和/或，所述摆动结构以所述主体的核心桶为中心对称设计。
7.如权利要求1或6所述的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述偏心轮轴由所述电机驱动，各个偏心轮轴向间距固定，周向角度差相等，且各个鳍条间相位差相等；和/或，所述摆动结构的数量及间距为使用8根鳍条，每根之间间隔44mm,第一根到第八根之间的距离308mm,形成相位差为60度，约1.17个波数；和/或，所述偏心轮，直径为40mm厚度为3mm的铝合金，其中固定孔为边长为2的六边形，固定孔距离偏心轮圆心距离为15.5mm,最大摆角在±20度左右；和/或，所述偏心轮轴采用铝合金六棱柱；和/或，所述头部结构，采用PLA材质60％填充进行3D打印而成；和/或，所述鳍条采用碳纤维板或柱形的碳纤维，所述碳纤维板厚度1.5mm。
8.如权利要求1所述的仿生蓝点魟水下推进器，其特征在于，所述水下推进器的蒙皮材料，使用20度硅胶均匀涂抹在氨纶布料上；和/或，所述水下推进器的背鳍处加一层硬度较大的硅胶板，蒙皮紧密的贴合在硅胶板上；和/或，所述蒙皮固定采用布兜结构，所述蒙皮材料的背部左、右、上部分设置布兜以固定鳍条头部。
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