CN109131818B - 小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其由设置在水下航行器上的水下仿生推力矢量产生组件及其控制系统构成，水下仿生推力矢量产生组件包括多个水下合成射流激励器，多个水下合成射流激励器设置在水下航行器的不同位置；所述控制系统包括电源控制系统和中央控制系统，所述中央控制系统与电源控制系统连接，电源控制系统与各水下合成射流激励器连接，所述中央控制系统对电源控制系统进行控制，通过控制电源控制系统的输出电压进而控制各水下合成射流激励器的产生水射流，进而产生水下矢量推力，控制水下航行器方向及姿态。本装置其结构简单，活动部件少，低功耗，低噪声，易于控制。

Description

小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置

技术领域

本发明涉及水下推进及水下流动控制领域，尤其涉及基于合成射流的水下仿生推力矢量产生与控制装置。

背景技术

随着科技的发展与时代的进步，对水下航行器的要求在不断提高。传统的“螺旋桨+舵”模式的水下航行器体积大、质量重、推进效率低、噪音大，而且对流体扰动作用明显，低速时机动性能较差，制约了其在实用化方面的进一步发展，水下仿生航行器便应运而生。

合成射流技术具有结构紧凑(无需流体和管路供应系统)、无旋转部件、能耗低、响应快和控制简单等优点，是主动流动控制领域最具潜力的流动控制技术之一。

目前，国外部分学者提出运用合成射流来实现小型无人水下航行器的推进、低速操纵、姿态控制。这种方案类似于乌贼、水母等生物利用脉动射流向前游动的方法。

传统水下推进方向控制使用螺旋桨等机构控制，机构越多，将对设备稳定性产生影响。

发明内容

针对水下航行器推进效率低、噪音大，对流体扰动作用明显，低速时机动性能较差，姿态难以精准控制，且姿态控制活动部件多，容易失效等的缺陷，本发明提供一种小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其结构简单，活动部件少，低功耗，低噪声，易于控制。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，由设置在水下航行器上的水下仿生推力矢量产生组件及其控制系统构成，水下仿生推力矢量产生组件包括多个水下合成射流激励器，多个水下合成射流激励器设置在水下航行器的不同位置，各水下合成射流激励器的射流出口均朝外且与其安装位置处的水下航行器外侧的外界环境相通；

所述控制系统包括电源控制系统和中央控制系统，所述中央控制系统与电源控制系统连接，电源控制系统与各水下合成射流激励器连接，所述中央控制系统对电源控制系统进行控制，通过控制电源控制系统的输出电压进而控制各水下合成射流激励器的工作状态；所述电源控制系统在中央控制系统的控制下输出相应的输出电压为各水下合成射流激励器提供工作电源，控制各水下合成射流激励器产生水射流，进而产生水下矢量推力，控制水下航行器方向及姿态。

所述水下合成射流激励器包括壳体，所述壳体内设有压电振动膜，压电振动膜将壳体内的腔体分隔为两个独立的腔体，分别为第一腔体和第二腔体，所述第一腔体上方对应的壳体顶壁上设有第一射流激励器射流出口，第二腔体上方对应的壳体顶壁上设有第二射流激励器射流出口，第一射流激励器射流出口和第二射流激励器射流出口两射流出口平行设置。第一射流激励器射流出口和第二射流激励器射流出口的出口端面可以是为平面，也可以是曲面等任意形式。电源控制系统输出电压驱动水下合成射流激励器的压电振动膜在第一腔体和第二腔体间往复振动，使得水下合成射流激励器的两个腔体交替压缩和膨胀。其中，一腔体被压缩，则另一腔体膨胀，其中被压电振动膜压缩的腔体内的水高速喷出形成水射流，而外接的水将从另一膨胀腔体对应的射流出口进入到该膨胀的腔体内。

所述中央控制系统通过控制电源控制系统的输出电压，进而控制输入不同电压到各水下合成射流激励器，改变各水下合成射流激励器其压电振动膜的振动幅度，控制射流的大小、频率以及方向，驱动各水下合成射流激励器形成不同偏转角度的水射流，进而实现水下矢量推力的控制。中央控制系统的布置位置可在水下航行器任意位置。

进一步地，所述中央控制系统产生时序控制信号给电源控制系统，控制电源控制系统的输出电压给多个相同位置或不同位置的水下合成射流激励器，多个水下合成射流激励器协同工作，形成组合矢量推力和力矩，从而实现水下航行器前进、后退、上浮、下潜、偏航或滚转。多个水下合成射流激励器的布置方式可以是并排布置、对称布置，也可以采用非对称布置、阵列布置等方式，布置个数可以是任意数量。

一般情况下水下航行器的外形设计呈对称形式，更有利于保持重心平衡。在水下航行器的尾端面、上侧面以及下侧面上均设置有水下合成射流激励器。进一步地，在水下航行器的左侧面以及右侧面上也设置有水下合成射流激励器。在水下航行器的前端面也可以设置水下合成射流激励器。所述中央控制系统控制电源控制系统的输出对称周期性或者非对称周期性电压给同一个侧面或多个不同侧面上的水下合成射流激励器，同一个侧面或多个不同侧面上的水下合成射流激励器协同工作，形成组合矢量推力和力矩，从而实现水下航行器前进、后退、上浮、下潜、偏航或滚转。

在水下航行器的尾端面设置有两个以上射流出口彼此平行或者射流出口在同一直线上的第一水下合成射流激励器。进一步地，可以设计相邻第一水下合成射流激励器之间的间距相等。所述中央控制系统控制电源控制系统向水下航行器的尾端面上的所有第一水下合成射流激励器输入对称周期性电压时，水下航行器的尾端面上各第一水下合成射流激励器工作产生对称水射流，形成正向推力，驱动水下航行器前进。所述中央控制系统控制电源控制系统向水下航行器的尾端面上的所有第一水下合成射流激励器输入非对称周期性电压时，驱动第一水下合成射流激励器中的压电振动膜非对称往复运动，在第一水下合成射流激励器的两个腔体中振动幅度不同，从而改变两个腔体内两股水射流的动力，使得产生的低压区强度和面积发生变化，产生非对称的矢量水射流，形成水下推力矢量，产生侧向推力，实现水下航行器在水平方向偏航，改变水下航行器的行进方向。中央控制系统通过改变电源控制系统的输出电压大小，改变第一水下合成射流激励器中的压电振动膜在其两侧腔体中的振幅，表现为合成射流矢量方向可调。

进一步地，在水下航行器的尾端面上，相邻第一水下合成射流激励器之间设置有与第一水下合成射流激励器正交的第二水下合成射流激励器，第二水下合成射流激励器的射流出口与第一水下合成射流激励器的射流出口是相互垂直的。所述中央控制系统控制电源控制系统向水下航行器的尾端面上的所有第二水下合成射流激励器输出非对称周期性电压，驱动第二水下合成射流激励器中的压电振动膜非对称往复运动，水下航行器的尾端面上各第二水下合成射流激励器工作产生非对称的水射流，实现水下航行器上仰前进及俯冲前进。

在水下航行器的上侧面、下侧面、左侧面、右侧面的多处位置设置有水下合成射流激励器。由于水下航行器设计一般是上下对称，左右对称的。因此在整体结构对称的水下航行器的各个侧面上布置水下合成射流激励器时，在同侧面上布置的水下合成射流激励器是前后对称、在相对侧面上布置的水下合成射流激励器是上下/左右对称设置的。当然对于不同形状的水下航行器以及一些特殊形状的水下航行器，在布置水下合成射流激励器时，考虑其重心平衡等因素，将水下合成射流激励器布置在合适的地方也能够实现产生水下矢量推力，控制水下航行器方向及姿态的目的。

进一步地，在水下航行器各个侧面上的水下合成射流激励器是呈组设置的，一组水下合成射流激励器包括两个或两个以上彼此间呈正交分布的水下合成射流激励器，即组成一组水下合成射流激励器的两个或两个以上水下合成射流激励器的射流出口是相互垂直的。在水下航行器各个侧面上至少左右各设置有一组水下合成射流激励器。

所述中央控制系统控制电源控制系统向各个侧面上各组水下合成射流激励器输入对称周期性电压时，能够产生正向推力。所述中央控制系统控制电源控制系统向各个侧面上各组水下合成射流激励器输入非对称周期性电压时，能产生四个方向的矢量推力，实现航行器的前进、后退、翻转及水平向360°旋转等功能。

本发明中所述电源控制电路产生对称周期性电压及非对称周期性电压，控制水下合成射流激励器的压电振动膜的在两侧腔体中的振动幅度，从而改变两个腔体内两股水射流的动力，生成矢量水射流，形成矢量推力。所述中央控制系统连接电源控制电路，实现对电源控制电路其输出电压大小及周期性的调节。本发明中的中央控制系统以及电源控制系统即包括主控电路、电源、信号发生器和信号放大器等，采用的是常规的电源控制电路即可实现调节其输出电压的功能，本发明是利用现有的电源控制电路或者电源控制方案。

所述中央控制系统通过控制电源控制电路输出对称周期性电压，驱动水下航行器尾端面上的第一水下合成射流激励器产生正向推力，实现水下航行器前进功能。同时，中央控制系统控制电源控制电路输出非对称周期性电压，驱动上、下、左、右侧面上的水下合成射流激励器产生一个指向前进方向的推力矢量分量，从而增强水下航行器推进力，提高水下航行器航行速度。中央控制系统可控制单个水下合成射流激励器或者同时控制上、下、左或右侧面上的多个水下合成射流激励器产生正向或者不同方向、不同角度的矢量推力，通过矢量分析就能得到不同的控制方案，使多个合成射流组件协同工作，产生推力矢量并进行矢量控制，分别实现水下航行器的前进、后退，上浮/下潜，俯、仰推进，侧向推进，翻转及水平向360°旋转功能，达到对水下航行器行进方向及姿态进行精确控制的目的。如水下航行器要下潜，则中央控制系统控制电源控制系统输出对称周期性电压给水下航行器上侧面上的各水下合成射流激励器，驱动上侧面上的各水下合成射流激励器中的压电振动膜在其两侧腔体间对称往复运动，水射流向上喷出，产生向下推力，实现水下航行器的下潜。在下潜的过程中，通过中央控制系统控制电源控制系统输出对称周期性电压的大小、频率，改变压电振动膜振动幅度以及振动频率，就能够实现水射流的大小以及喷射频率的控制，最终实现下潜速度的精准控制。同样的，如水下航行器要上浮，则中央控制系统控制电源控制系统输出对称周期性电压给水下航行器下侧面上的各水下合成射流激励器，驱动下侧面上的各水下合成射流激励器中的压电振动膜在其两侧腔体间对称往复运动，水射流向下喷出，产生向上推力，实现水下航行器的下潜。中央控制系统控制电源控制系统输出对称周期性电压或者非对称电压驱动水下航行器上某一侧面上的一个水下合成射流激励器、或者同时驱动某一侧面上的所有水下合成射流激励器、或者驱动水下航行器上两个或两个以上不同侧面上的多个水下合成射流激励器，如驱动水下航行器上左侧面的水下合成射流激励器，或者驱动水下航行器上、下侧面与左、右侧面的水下合成射流激励器，或者驱动水下航行器上、下、左、右侧面与后端面上的水下合成射流激励器……均会产生不同的方向、不同角度的矢量推力，使水下航行器发生相应的位姿改变。

本发明该小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置可以配合传统喷水推进等其他推进方式实现更大推力及更大航行速度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、与常规水下航行器姿态控制及方向调节方式相比，本装置不仅可产生水下射流，实现水下推进，还可产生水下推力矢量，通过调节水下合成射流矢量大小和方向，控制水下航行器姿态及调整水下航行器行进方向；

2、本发明可实现水下航行器的前进、后退，上浮/下潜，俯、仰推进，侧向推进，翻转及水平向360°旋转功能，具有更好的机动性及环境适应能力；

3、本发明采用合成射流喷水方式实现推进及姿态控制，所需传动机构少、结构形式简单，推进装置损坏后易于更换；

4、本发明采用中央控制系统控制水下矢量的大小及方向，使得水下航行器合成射流控制能力更强，能够根据需要调整合成射流矢量角，增强其控制效果；

5、本发明应用于水下推进及姿态控制具有低功耗，低噪声，能有效减少水下扰动等特点。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图。

图2是本发明的水下合成射流激励器的结构示意图。

图3是本发明的尾端面结构示意图。

图4是本发明的横断面示意图。

图5是正弦波信号图。

图6是水下合成射流激励器在正弦波驱动下推力随电压频率的变化图。

图7是水下合成射流激励器喷出的合成射流在电信号下射流速度矢量云图。

图中各标号表示：

1、水下航行器；2、水下合成射流激励器；201、射流出口；2011、第一射流激励器射流出口；2012、第二射流激励器射流出口；202、壳体；203、压电振动膜；204、第一腔体；205、第二腔体；3、电源控制系统；4、中央控制系统；5、第一水下合成射流激励器；6、第二水下合成射流激励器；7、第三水下合成射流激励器；8、第四水下合成射流激励器；9、第五水下合成射流激励器；10、第六水下合成射流激励器；11、第十一水下合成射流激励器；12、第十二水下合成射流激励器；13、第十三水下合成射流激励器；14、第十四水下合成射流激励器；15、第十五水下合成射流激励器；16、第十六水下合成射流激励器；17、第十七水下合成射流激励器；18、第十八水下合成射流激励器；19、第七水下合成射流激励器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。

参照图1至图4，提供本发明的一实施例，在本实施例中的小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，由设置在水下航行器1上的水下仿生推力矢量产生组件及其控制系统构成。本实施例中的水下航行器1中段是圆柱形，水下航行器1的前后段是半椭圆体形。水下航行器1前后、左右、上下均对称，是一个对称体结构。

水下仿生推力矢量产生组件包括多个水下合成射流激励器2，多个水下合成射流激励器2设置在水下航行器1的不同位置，各水下合成射流激励器1的射流出口201均朝外且与其安装位置处的水下航行器外侧的外界环境相通。各水下合成射流激励器1与水下航行器的连接方式是螺栓连接与焊接，也可与水下航行器构成一体化组件。所述各水下合成射流激励器1安装于水下航行器整体轮廓线以内，也可突出于水下航行器整体轮廓线外部。各水下合成射流激励器1可以以固定角度安装于水下航行器上，也可以采用万向轴方式连接在水下航行器上，这样使水下合成射流激励器在某一平面内能360°旋转。

所述控制系统包括电源控制系统3和中央控制系统4，所述中央控制系统4与电源控制系统3连接，电源控制系统3与各水下合成射流激励器4连接，所述中央控制系统4对电源控制系统3进行控制，通过控制电源控制系统3的输出电压进而控制各水下合成射流激励器4的工作状态；所述电源控制系统3在中央控制系统4的控制下输出相应的输出电压为各水下合成射流激励器2提供工作电源，控制各水下合成射流激励器2产生水射流，进而产生水下矢量推力，控制水下航行器1的方向及姿态。

参照图2，所述水下合成射流激励器2包括壳体202，所述壳体202内设有压电振动膜203，压电振动膜203将壳体202内的腔体分隔为两个独立的腔体，分别为第一腔体204和第二腔体205，所述第一腔体204上方对应的壳体顶壁上设有第一射流激励器射流出口2011，第二腔体205上方对应的壳体顶壁上设有第二射流激励器射流出口2012，第一射流激励器射流出口2011和第二射流激励器射流出口2012均为长方形且两射流出口平行设置。电源控制系统3输出电压驱动水下合成射流激励器2的压电振动膜203在第一腔体204和第二腔体205间往复振动，使得水下合成射流激励器2的两个腔体交替压缩和膨胀。其中，一腔体被压缩，则另一腔体膨胀，其中被压电振动膜压缩的腔体内的水高速喷出形成水射流，而外接的水将从另一膨胀腔体对应的射流出口进入到该膨胀的腔体内。

所述中央控制系统4通过控制电源控制系统3的输出电压，进而控制输入不同电压到各水下合成射流激励器2，改变各水下合成射流激励器2其压电振动膜203的振动幅度，控制射流的大小、频率以及方向，驱动各水下合成射流激励器形成不同偏转角度的水射流，进而实现水下矢量推力的控制。

参照图1，在水下航行器1的尾端面、上侧面、下侧面、左侧面以及右侧面上均设置有水下合成射流激励器2。

参照图3，在水下航行器1的尾端面设置有两个射流出口在同一直线上的第一水下合成射流激励器5。在相邻第一水下合成射流激励器5之间设置有与第一水下合成射流激励器5正交的第二水下合成射流激励器6。第一水下合成射流激励器5对称分布在第二水下合成射流激励器6的两侧，且第二水下合成射流激励器6的射流出口与第一水下合成射流激励器5的射流出口是相互垂直的。所述中央控制系统4控制电源控制系统5向水下航行器1的尾端面上的所有第一水下合成射流激励器5输入对称周期性电压时，水下航行器1的尾端面上两个第一水下合成射流激励器5工作产生对称水射流，形成正向推力，驱动水下航行器1前进。所述中央控制系统4控制电源控制系统向水下航行器1的尾端面上的第一水下合成射流激励器5输入非对称周期性电压时，驱动第一水下合成射流激励器5中的压电振动膜非对称往复运动，在水下合成射流激励器的两个腔体中振动幅度不同，从而改变两个腔体内两股水射流的动力，使得产生的低压区强度和面积发生变化，产生非对称的矢量水射流，形成水下推力矢量，产生侧向推力，实现水下航行器在水平方向偏航，改变水下航行器的行进方向。中央控制系统4控制电源控制系统3向水下航行器1的尾端面上的第二水下合成射流激励器6输出非对称周期性电压，驱动第二水下合成射流激励器6中的压电振动膜非对称往复运动，水下航行器1的尾端面上的第二水下合成射流激励器6工作产生非对称的水射流，实现水下航行器上仰前进及俯冲前进。中央控制系统通过改变电源控制系统的输出电压大小、频率大小，就能改变水下合成射流激励器中的压电振动膜在其两侧腔体中的振幅和振动频率，实现喷射射流的频率、方向、大小等调节，即表现为合成射流矢量方向可调。

参照图1，在整体结构对称的水下航行器1的各个侧面上布置水下合成射流激励器时，在同侧面上布置的水下合成射流激励器是前后对称、在相对侧面上布置的水下合成射流激励器是左右/上下对称设置的。当然对于不同形状的水下航行器以及一些特殊形状的水下航行器，在布置水下合成射流激励器时，考虑其重心平衡等因素，将水下合成射流激励器布置在合适的地方也能够实现产生水下矢量推力，控制水下航行器方向及姿态的目的。

在水下航行器各个侧面上的水下合成射流激励器是呈组设置的，一组水下合成射流激励器包括两个或两个以上彼此间呈正交分布的水下合成射流激励器，即组成一组水下合成射流激励器的两个或两个以上水下合成射流激励器的射流出口是相互垂直的。在水下航行器各个侧面上的至少前、后两端各设置有一组水下合成射流激励器。参照图1和图4，水下航行器1的上侧面上的第三水下合成射流激励器7和第四水下合成射流激励器8构成一组水下合成射流激励器，第三水下合成射流激励器7和第四水下合成射流激励器8的射流出口是相互垂直的。上侧面上的第五水下合成射流激励器9和第六水下合成射流激励器10构成一组水下合成射流激励器。在水下航行器的上侧面，第三水下合成射流激励器7和第四水下合成射流激励器8组成的这组水下合成射流激励器与第五水下合成射流激励器9和第六水下合成射流激励器10组成的这组水下合成射流激励器是前后对称的。同样的，在水下航行器的下侧面上分布有与上侧面上的第三水下合成射流激励器、第四水下合成射流激励器、第五水下合成射流激励器和第六水下合成射流激励器相对称的第七水下合成射流激励器、第八水下合成射流激励器、第九水下合成射流激励器和第十水下合成射流激励器，其中第七水下合成射流激励器和第八水下合成射流激励器构成一组水下合成射流激励器，第九水下合成射流激励器和第十水下合成射流激励器构成一组水下合成射流激励器。在水下航行器的下侧面上分布的这两组水下合成射流激励器也呈前后对称。其中，因为视角原因，在水下航行器的下侧面的第七水下合成射流激励器、第八水下合成射流激励器、第九水下合成射流激励器和第十水下合成射流激励器在图1中不可见。在图4中，可以看到，水下航行器1的上侧面上的第三水下合成射流激励器7与水下航行器1的下侧面上的第七水下合成射流激励器19对称设置。水下航行器1的左侧面上的第十一水下合成射流激励器11与水下航行器1的右侧面上的第十五水下合成射流激励器15对称设置。

按照上、下侧面同样的分布方式，在水下航行器的左侧面、右侧面的前、后两侧也各布置一组水下合成射流激励器，组成一组水下合成射流激励器的两个水下合成射流激励器的射流出口是相互垂直的。即水下航行器左侧面的第十一水下合成射流激励器11、第十二水下合成射流激励器12、第十三水下合成射流激励器13以及第十四水下合成射流激励器14，其中第十一水下合成射流激励器11、第十二水下合成射流激励器12组成一组水下合成射流激励器，第十三水下合成射流激励器13和第十四水下合成射流激励器14组成一组水下合成射流激励器。同样的，水下航行器右侧面的第十五水下合成射流激励器15、第十六水下合成射流激励器16、第十七水下合成射流激励器17以及第十八水下合成射流激励器18，其中第十五水下合成射流激励器15、第十六水下合成射流激励器16组成一组水下合成射流激励器，第十七水下合成射流激励器17和第十八水下合成射流激励器18组成一组水下合成射流激励器。

在具体实施中，本发明应通过以下工作原理及操作方式完成推力矢量产生与控制过程。

功能一：中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出对称周期性电压，驱动第一水下合成射流激励器5中的压电振动膜在其左右腔体中以同等振幅往复运动，在各第一水下合成射流激励器5两出口交替产生两股合成水射流，并在下游第一水下合成射流激励器5喷出的水射流融合为一股新的合成射流，产生正向推力，驱动水下航行器1前进。通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出非对称周期性电压，驱动第一水下合成射流激励器5中的压电振动膜非对称往复运动，第一水下合成射流激励器5中的压电振动膜在其左右腔体振动幅度不相等，从而改变两腔体中两股水射流的动量，使得产生的低压区强度和面积发生变化，形成水下推力矢量，产生侧向推力，改变水下航行器1的行进方向。通过改变电源控制系统3输出电压大小，改变压电振动膜在两侧腔体中的振幅，表现为合成射流矢量方向可调。

功能二：通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出非对称周期性电压，驱动第四水下合成射流激励器8、第八水下合成射流激励器、第五水下合成射流激励器9、第九水下合成射流激励器、第十一水下合成射流激励器11、第十五水下合成射流激励器15、第十四水下合成射流激励器14和第十八水下合成射流激励器18的压电振动膜非对称往复运动，产生一个指向前进方向的推力矢量分量，从而增强水下航行器的推进力，提高水下航行器1航行速度。通过控制同时产生指向前进方向的推力矢量的合成射流组件数量，对水下航行器1航行速度进行控制。通过调整电源控制系统3输出到第四水下合成射流激励器8、第八水下合成射流激励器、第五水下合成射流激励器9、第九水下合成射流激励器、第十一水下合成射流激励器11、第十五水下合成射流激励器15、第十四水下合成射流激励器14和第十八水下合成射流激励器18的电压，使中压电振动膜非对称往复运动，产生指向后退方向的推力矢量分量，从而达到减小水下航行器1的航行速度或者使水下航行器1后退的目的。

功能三：通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出对称周期性电压，驱动第三水下合成射流激励器7、第四水下合成射流激励器8、第五水下合成射流激励器9和第六水下合成射流激励器10中压电振动膜对称往复运动，合成射流向上喷出，产生向下推力，实现水下航行器1下潜。

通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出非对称周期性电压，驱动第十二水下合成射流激励器12、第十六水下合成射流激励器16、第十三水下合成射流激励器13和第十七水下合成射流激励器17中压电振动膜非对称往复运动，产生一个指向下潜方向的推力矢量分量，产生向下推力，实现增强水下航行器1下潜速度及下潜深度作用。

通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出对称周期性电压，驱动水下航行器的下侧面的第七水下合成射流激励器、第八水下合成射流激励器、第九水下合成射流激励器和第十水下合成射流激励器中压电振动膜对称往复运动，合成射流向下喷出，产生向上推力，实现水下航行器15上浮。

通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出非对称周期性电压，驱动合成射流组件第十二水下合成射流激励器12、第十六水下合成射流激励器16、第十三水下合成射流激励器13和第十七水下合成射流激励器17中压电振动膜非对称往复运动，产生一个指向上浮方向的推力矢量分量，产生向上推力，实现增大水下航行器1上浮速度的作用。

功能四：通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出对称周期性电压，驱动水下航行器左侧面的第十一水下合成射流激励器11、第十二水下合成射流激励器12、第十三水下合成射流激励器13以及第十四水下合成射流激励器14或者水下航行器右侧面的第十五水下合成射流激励器15、第十六水下合成射流激励器16、第十七水下合成射流激励器17以及第十八水下合成射流激励器18中的压电振动膜对称往复运动，实现水下航行器15侧向推进。

功能五：通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出对称周期性电压，同时驱动水下航行器左侧面的第十一水下合成射流激励器11、第十二水下合成射流激励器12和水下航行器右侧面的第十七水下合成射流激励器17以及第十八水下合成射流激励器18或者水下航行器左侧面的第十三水下合成射流激励器13、第十四水下合成射流激励器14和水下航行器右侧面的第十五水下合成射流激励器15、第十六水下合成射流激励器16中的压电振动膜对称往复运动，使水下航行器1水平旋转，实现掉头的目的。

功能六：通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出非对称周期性电压，驱动水下航行器的上侧面的第三水下合成射流激励器7和第六水下合成射流激励器10中的压电振动膜非对称往复运动，产生矢量推力，同时驱动水下航行器的下侧面的第七水下合成射流激励器和第十水下合成射流激励器中的压电振动膜12非对称往复运动，产生与第三水下合成射流激励器7和第六水下合成射流激励器10方向相反的矢量推力，由于两组相反的矢量推力不在同一平面内，组成一对力偶，实现水下航行器1在横向平面内360°翻滚。驱动水下航行器左侧面的第十二水下合成射流激励器12和第十三水下合成射流激励器13与水下航行器右侧面的第十六水下合成射流激励器16和第十七水下合成射流激励器17分别产生方向相反的矢量推力，实现水下航行器1在竖向平面内360°翻滚。

功能七：通过中央控制系统4发出指令，控制电源控制系统3输出非对称周期性电压，驱动第二水下合成射流激励器6中压电振动膜非对称往复运动，实现水下航行器1上仰前进及俯冲前进。

进一步结合合成射流推力矢量产生实验对本发明进行说明。实验中采用高速摄影对合成射流推力矢量产生过程进行记录，在图5所示正弦波信号下，如图6所示，显示出合成射流组件可以产生明显的推力，如图7所示，合成射流组件产生了明显的矢量推力。

该装置合成射流组件对称布置于水下航行器特定位置，通过中央控制系统控制多个合成射流组件协同工作，实现水下航行器前进、后退，上浮/下潜，俯、仰推进，侧向推进，偏航、翻转及水平向360°旋转功能，能精确调节水下航行器行进方向，控制水下航行器姿态。该装置产生推力及矢量推力的方案类似于乌贼、水母等生物利用脉动射流向前游动的方法，通过多个合成射流组件的协同工作，在无需转向机构的配合下，便可实现水下航行器的机动及姿态调整，使水下航行器方向调节及姿态控制能力更强。该装置所需传动机构少、结构形式简单，推进装置损坏后易于更换，且具有低功耗，低噪声，能有效减少水下扰动等特点。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其特征在于：由设置在水下航行器上的水下仿生推力矢量产生组件及其控制系统构成，水下仿生推力矢量产生组件包括多个水下合成射流激励器，多个水下合成射流激励器设置在水下航行器的不同位置，各水下合成射流激励器的射流出口均朝外且与其安装位置处的水下航行器外侧的外界环境相通；

所述控制系统包括电源控制系统和中央控制系统，所述中央控制系统与电源控制系统连接，电源控制系统与各水下合成射流激励器连接，所述中央控制系统对电源控制系统进行控制，通过控制电源控制系统的输出电压进而控制各水下合成射流激励器的工作状态；所述电源控制系统在中央控制系统的控制下输出相应的输出电压为各水下合成射流激励器提供工作电源，控制各水下合成射流激励器产生水射流，进而产生水下矢量推力，控制水下航行器方向及姿态；

在水下航行器的尾端面、上侧面以及下侧面上均设置有水下合成射流激励器，或/和在水下航行器的左侧面以及右侧面上也设置有水下合成射流激励器，或/和在水下航行器的前端面设置水下合成射流激励器；

在水下航行器各个侧面上的水下合成射流激励器是呈组设置的，一组水下合成射流激励器包括两个或两个以上彼此间呈正交分布的水下合成射流激励器，即组成一组水下合成射流激励器的两个或两个以上水下合成射流激励器的射流出口是相互垂直的；

所述中央控制系统控制电源控制系统的输出对称周期性或者非对称周期性电压给同一个侧面或多个不同侧面上的水下合成射流激励器，同一个侧面或多个不同侧面上的水下合成射流激励器协同工作，形成组合矢量推力和力矩，从而实现水下航行器前进、后退、上浮、下潜、偏航或滚转；

所述中央控制系统通过控制电源控制系统的输出电压，进而控制输入不同电压到各水下合成射流激励器，改变各水下合成射流激励器其压电振动膜的振动幅度，控制射流的大小、频率以及方向，驱动各水下合成射流激励器形成不同偏转角度的水射流，进而实现水下矢量推力的控制；

在水下航行器的尾端面设置有两个以上射流出口彼此平行或者射流出口在同一直线上的第一水下合成射流激励器；

所述中央控制系统控制电源控制系统向水下航行器的尾端面上的所有第一水下合成射流激励器输入对称周期性电压时，水下航行器的尾端面上各第一水下合成射流激励器工作产生对称水射流，形成正向推力，驱动水下航行器前进；所述中央控制系统控制电源控制系统向水下航行器的尾端面上的所有第一水下合成射流激励器输入非对称周期性电压时，驱动第一水下合成射流激励器中的压电振动膜非对称往复运动，在第一水下合成射流激励器的两个腔体中振动幅度不同，从而改变两个腔体内两股水射流的动力，使得产生的低压区强度和面积发生变化，产生非对称的矢量水射流，形成水下推力矢量，产生侧向推力，实现水下航行器在水平方向偏航，改变水下航行器的行进方向。

2.根据权利要求1所述的小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其特征在于：所述水下合成射流激励器包括壳体，所述壳体内设有压电振动膜，压电振动膜将壳体内的腔体分隔为两个独立的腔体，分别为第一腔体和第二腔体，所述第一腔体上方对应的壳体顶壁上设有第一射流激励器射流出口，第二腔体上方对应的壳体顶壁上设有第二射流激励器射流出口，第一射流激励器射流出口和第二射流激励器射流出口均为长方形且两射流出口平行设置；电源控制系统输出电压驱动水下合成射流激励器的压电振动膜在第一腔体和第二腔体间往复振动，使得水下合成射流激励器的两个腔体交替压缩和膨胀；其中，一腔体被压缩，则另一腔体膨胀，其中被压电振动膜压缩的腔体内的水高速喷出形成水射流，而外接的水将从另一膨胀腔体对应的射流出口进入到该膨胀的腔体内。

3.根据权利要求1所述的小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其特征在于：在水下航行器的尾端面上，相邻第一水下合成射流激励器之间设置有与第一水下合成射流激励器正交的第二水下合成射流激励器，第二水下合成射流激励器的射流出口与第一水下合成射流激励器的射流出口是相互垂直的；

所述中央控制系统控制电源控制系统向水下航行器的尾端面上的所有第二水下合成射流激励器输出非对称周期性电压，驱动第二水下合成射流激励器中的压电振动膜非对称往复运动，水下航行器的尾端面上各第二水下合成射流激励器工作产生非对称的水射流，实现水下航行器上仰前进及俯冲前进。

4.根据权利要求1所述的小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其特征在于：在水下航行器的上侧面、下侧面、左侧面、右侧面的多处位置设置有水下合成射流激励器；在整体结构对称的水下航行器的各个侧面上布置水下合成射流激励器时，在同侧面上布置的水下合成射流激励器是前后对称、在相对侧面上布置的水下合成射流激励器是上下/左右对称设置的。

5.根据权利要求1所述的小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其特征在于：在水下航行器各个侧面上至少左右各设置有一组水下合成射流激励器。

6.根据权利要求5所述的小型化水下仿生推力矢量产生与控制装置，其特征在于：中央控制系统控制电源控制系统输出对称周期性电压或者非对称电压驱动水下航行器上某一侧面上的一个水下合成射流激励器、或者同时驱动某一侧面上的所有水下合成射流激励器、或者驱动水下航行器上两个或两个以上不同侧面上的多个水下合成射流激励器，或者驱动水下航行器上、下侧面与左、右侧面的水下合成射流激励器，或者驱动水下航行器上、下、左、右侧面与后端面上的水下合成射流激励器均会产生不同的方向、不同角度的矢量推力，使水下航行器发生相应的位姿改变，实现水下航行器的前进、后退，加速、上浮、下潜，俯/仰推进，侧向推进，翻转或水平向360°旋转。

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