CN113002739A - 一种仿生蠕动爬行水下航行器及运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生蠕动爬行水下航行器及运动控制方法，借鉴蚯蚓环肌收缩、舒张机理，利用两组对称分布的八个磁性线圈构成收缩与伸张驱动结构，带动柔性材料制成的可收缩/舒张外壳，实现水下航行器的蠕动爬行。其次，通过控制八个磁性线圈的通电顺序、电流方向和电流频率实现仿生蠕动爬行水下航行器的前进与后退运动控制和左右转运动控制。该仿生蠕动爬行水下航行器是一种新型的水底、陆地两栖航行器，能够更好地实现航行器的隐蔽性、小型化、智能化。由于仿生蠕动爬行水下航行器在海底爬行，可抵达传统水下航行器难以触及的海岸浅滩、海底等处；并且体积小，可进入狭小的海底缝隙、水下管道及各种水底地形，执行环境检测、样本采集等任务。

Description

一种仿生蠕动爬行水下航行器及运动控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器领域，特别涉及一种仿生蠕动爬行水下航行器及运动控制方法。

背景技术

近年来水下航行器相关技术发展迅速，出现了多种不同运动方式，包括但不限于滑翔式、螺旋桨推进式、喷水推进式、仿鱼游动式、多腿结构行走前进式等，丰富了水下航行器的功能，扩展了水下航行器的活动领域。但是这些水下航行器都面临着同样的问题：

1.对水下航行器运动结构中的动轴防水密封复杂，这增加了水下航行器的制造成本，限制了水下航行器的大规模应用，该问题在仿生类和多足类这些新型水下航行器上表现得尤为突出；

2.这些种类的水下航行器推进方式大多只适合于深海大洋中使用，而在近海浅滩通常无法工作，更难以实现水底和陆地两用，而这些地方恰恰是海洋资源勘探、军事争夺的重点，这大大限制了水下航行器的活动范围。

因此，如何设计一种新型的水下航行器运动方式，降低甚至去除对水下航行器动轴运动机构的防水密封要求并便于水下航行器在海底运动，是提升水下航行器运动能力需要突破的一项关键技术。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有水下航行器运动结构中动轴防水密封复杂和无法进行浅海水路两栖运动的不足和缺陷，本发明提供了一种仿生蠕动爬行水下航行器及运动控制方法。

本发明的技术方案是：一种仿生蠕动爬行水下航行器，其特征在于，包括柔性外壳、第一磁性线圈组和第二磁性线圈组；

所述第一磁性线圈组和第二磁性线圈组位于柔性外壳内且沿柔性外壳轴线对称分布；

所述第一磁性线圈组和第二磁性线圈组中均包含若干电磁铁，且包含电磁铁的数量相同；在每个磁性线圈组中，相邻电磁铁的N极和S极相邻布置；初始状态下每组磁性线圈组中的电磁铁分开均匀分布，各组磁性线圈组接通同方向和同频率电流后电磁铁NS极性方向相同，进而相吸接触；

通过依次对两组磁性线圈中的对应位置处电磁铁通反向电流促使电磁铁依次分离，使水下航行器蠕动前行或后退；通过对两组磁性线圈采用不同的电流频率，使水下航行器进行左转或右转。

本发明进一步的技术方案是：所述柔性外壳内填充硅油，用于平衡机体内部与外部的水压。

本发明进一步的技术方案是：所述柔性外壳采用柔性材料制成。

本发明进一步的技术方案是：所述柔性材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

本发明进一步的技术方案是：一种仿生蠕动爬行水下航行器的运动控制方法包括以下步骤：

步骤1：定义第一磁性线圈组中的依次分布有Ln个磁性线圈，第二磁性线圈组中依次分布有Rn个磁性线圈，n为自然数且n大于等于2；

其中L1，L2，L3，L4……NS极性方向相同，相互接触布置；R1，R2，R3，R4……NS极性方向相同，相互接触布置；两组线圈中的初始电流方向相同；

步骤2：控制水下航行器运动，包括以下几个内容：

(1)向前运动，包括以下几个步骤：

步骤a：对L1、R1通反向电流，使得L1、R1与其他电磁铁相斥，使得L1、R1向前运动，使柔性壳体对应L1和R1位置处向前移动；

步骤b：对L2、R2；L3、R3；L4、R4……重复进行步骤a，使柔性壳体整体向前运动，从而完成航行器的向前运动；

(2)向后运动，包括以下几个步骤：

步骤a：对Ln、Rn通反向电流，使得Ln、Rn与其他电磁铁相斥，使得Ln、Rn向后运动，使柔性壳体对应Ln和Rn位置处向后移动；

步骤b：对Ln-1、Rn-1；Ln-2、Rn-2；Ln-3、Rn-3……重复进行步骤a，使柔性壳体整体向后运动，从而完成航行器的向后运动；

(3)向左或向右运动：控制第一磁性线圈组和第二磁性线圈组中的通电流反向频率，柔性壳体向通电流反向频率高的磁性线圈组所在方向偏转，从而使得水下航行器向左或向右运动。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明和现有技术相比，具体产生的技术效果如下：

(1)采用柔性外壳包围电磁线圈组的运动方式，运动机构中没有伸出壳体之外的传动轴，去除了对水下航行器运动结构的动轴防水密封要求；

(2)提供了一种水下航行器在水底爬行运动方法；

(3)通过改变电流通入方向就可以改变航行器的运动方向(可以实现航行器原地转向)，水下航行器无需进行回转运动即可改变运动方向，也没有现有轴推进方式水下航行器的回转半径约束，是一种简便的运动方向控制方式。

附图说明

图1仿生蠕动爬行水下航行器结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为剖视图

图2仿生蠕动爬行水下航行器内部磁性线圈布局示意图

图3磁性线圈三推一方式前进运动控制方法示意图，其中(a)为初始状态，(b)为

第一阶段运动图，(c)为第二阶段运动图，(d)为第三阶段运动图，(e)为第四阶段运动图。

图4水下航行器左转弯示意图

图5水下航行器右转弯示意图

附图标记说明：1—柔性外壳；2—第一线圈；3—硅油；4—第二线圈

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图4，一种仿生蠕动爬行水下航行器结构。如图1所示。其特征在于，蠕动爬行水下航行器借鉴蚯蚓环肌收缩、舒张机理，利用2组对称分布的8个磁性线圈构成收缩与伸张驱动结构，带动柔性材料制成的可收缩/舒张外壳，实现水下航行器的蠕动爬行。每个电磁线圈中的电磁铁均与水下航行器外壳体固连。水下航行器壳体内部填充硅油，用于平衡机体内部与外部的水压。

本实施例中，通过控制八个磁性线圈的通电顺序、电流方向和电流频率实现仿生蠕动爬行水下航行器的前进与后退运动控制和左右转运动控制。其特征在于，

(1)前进与后退方法具体步骤如下：

步骤1：磁性线圈布局示意图如图2所示，以八个电磁铁为例，左右各四个对称分布。所有电磁铁均与水下航行器外壳体固连。其中左侧的电磁铁从前到后分别编号为L1、L2、L3、L4，右侧的电磁铁从前到后分别编号为R1、R2、R3、R4。如图3(a)所示，此时电磁铁均通同向正电流，NS极性方向相同。

步骤2：第一阶段，如图3(b)所示，以左侧为例，其中左侧L1电磁铁改变电流方向，通反向电流，L1电磁铁与其他各电磁铁极性相斥，推动L1电磁铁向前移动，并带动水下航行器外壳前向运动。右侧与左侧同时向前运动。

步骤3：第二阶段，如图3(c)所示，其中左侧L2电磁铁改变电流方向，通反向电流，L2电磁铁与L3、L4电磁铁极性相斥，与L1电磁铁极性相吸，推动L2电磁铁向前移动，并带动航行器外壳前向运动。右侧与左侧相同。

步骤4：第三阶段，如图3(d)所示，其中左侧L3电磁铁改变电流方向，通反向电流，L3电磁铁与L4电磁铁极性相斥，与L1、L2电磁铁极性相吸，推动L3电磁铁向前移动，并带动航行器前向运动。右侧与左侧相同。

步骤5：第四阶段，如图3(e)所示，其中左侧L4电磁铁改变电流方向，通反向电流，L4电磁铁与其他各电磁极性相吸，推动L4电磁铁向前移动，并带动航行器前向运动。至此，四个电磁铁状态回复到同相，开始下一周期运动。右侧与左侧相同。

以上所述为水下航行器前进一个周期的步骤，水下航行器前进运动中重复顺序执行周期内的各步骤。

后退方法的具体步骤与前进方法具体步骤类似，区别在于后退方法时通反向电流的电磁铁顺序相反，即从L4开始到L1依次通反向电流。这说明这种水下航行器运动方式不区分航行器的头尾，可以实现原地反向运动。

(2)左右转弯方法具体步骤如下：

左转弯：如图4所示，控制左右电流的反向频率，其中左侧L1至L4各电磁铁通电流反向频率低，右侧R1至R4各电磁铁通电流反向频率高，在同样的时间内，左侧前进距离小于右侧，航行器左转弯。

右转弯：同理，如图5所示，控制左右电流的反向频率，其中左侧L1至L4各电磁铁通电流反向频率高，右侧R1至R4各电磁铁通电流反向频率低，在同样的时间内，左侧前进距离大于右侧，航行器右转弯。

Claims (5)

1.一种仿生蠕动爬行水下航行器，其特征在于，包括柔性外壳(1)、第一磁性线圈组(2)和第二磁性线圈组(4)；

所述第一磁性线圈组(2)和第二磁性线圈组(4)位于柔性外壳(1)内且沿柔性外壳(1)轴线对称分布；

所述第一磁性线圈组(2)和第二磁性线圈组(4)中均包含若干电磁铁，且包含电磁铁的数量相同；在每个磁性线圈组中，相邻电磁铁的N极和S极相邻布置；初始状态下每组磁性线圈组中的电磁铁分开均匀分布，各组磁性线圈组接通同方向和同频率电流后电磁铁NS极性方向相同，进而相吸接触；

通过依次对两组磁性线圈中的对应位置处电磁铁通反向电流促使电磁铁依次分离，使水下航行器蠕动前行或后退；通过对两组磁性线圈采用不同的电流频率，使水下航行器进行左转或右转。

2.如权利要求1所述的一种仿生蠕动爬行水下航行器，其特征在于，所述柔性外壳(1)内填充硅油，用于平衡机体内部与外部的水压。

3.如权利要求1所述的一种仿生蠕动爬行水下航行器，其特征在于，所述柔性外壳(1)采用柔性材料制成。

4.如权利要求3所述的一种仿生蠕动爬行水下航行器，其特征在于，所述柔性材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

5.基于权利要求1所述一种仿生蠕动爬行水下航行器的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：定义第一磁性线圈组中的依次分布有Ln个磁性线圈，第二磁性线圈组中依次分布有Rn个磁性线圈，n为自然数且n大于等于2；

其中L1，L2，L3，L4……NS极性方向相同，相互接触布置；R1，R2，R3，R4……NS极性方向相同，相互接触布置；两组线圈中的初始电流方向相同；

步骤2：控制水下航行器运动，包括以下几个内容：

(1)向前运动，包括以下几个步骤：

步骤a：对L1、R1通反向电流，使得L1、R1与其他电磁铁相斥，使得L1、R1向前运动，使柔性壳体对应L1和R1位置处向前移动；

步骤b：对L2、R2；L3、R3；L4、R4……重复进行步骤a，使柔性壳体整体向前运动，从而完成航行器的向前运动；

(2)向后运动，包括以下几个步骤：

步骤a：对Ln、Rn通反向电流，使得Ln、Rn与其他电磁铁相斥，使得Ln、Rn向后运动，使柔性壳体对应Ln和Rn位置处向后移动；

步骤b：对Ln-1、Rn-1；Ln-2、Rn-2；Ln-3、Rn-3……重复进行步骤a，使柔性壳体整体向后运动，从而完成航行器的向后运动；

(3)向左或向右运动：控制第一磁性线圈组和第二磁性线圈组中的通电流反向频率，柔性壳体向通电流反向频率高的磁性线圈组所在方向偏转，从而使得水下航行器向左或向右运动。

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