CN113525643A - 一种全深海微小型波形水下推进器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全深海微小型波形水下推进器及其驱动方法，波形水下推进器包括包括4N个压电双晶片、4N‑1个H型连接件、以及2个U型连接件,N为大于等于1的自然数。工作时，采用有π/2相位差的两组电信号分别激励各个压电双晶片，使波形推进器表面产生在空间以及时间上相差90°的两组驻波，这两组驻波叠加形成一列行波，形成波形推进。本发明结构简单，易于实现微型化，控制简便。

Description

一种全深海微小型波形水下推进器及其驱动方法

技术领域

本发明涉及水下推进器领域，尤其涉及一种全深海微小型波形水下推进器及其驱动方法。

背景技术

海洋在我国国防建设和经济发展中占有举足轻重的地位。由于海洋资源勘探以及国防建设需要，水下推进系统得到了很大发展，尤其是仿生型水下推进器。仿生型水下推进器可以成为一个信息获取的工具，持续巡逻。现有的仿生型水下推进器技术大过是仿生鱼类，靠多关节串联的摆尾装置驱动，这种驱动方式的仿生系统结构大，控制复杂。

压电双晶片具有结构简单、质量轻、带宽高、输出位移比普通压电陶瓷片大的优点，采用压电双晶片驱动的水下推进器无需传动机构，有利于轻量化、小型化。将压电双晶片与仿生鱼类技术相结合，有利于微小型化仿生推进器系统，使控制更加简单。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种全海深微小型波形水下推进器及其驱动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种全海深微小型波形水下推进器，包括4N个压电双晶片、4N-1个H型连接件、以及2个U型连接件，N为大于等于1的自然数；

所述U形连接件包含第一侧柱、第二侧柱和底柱，其中，所述底柱的两端分别和第一侧柱的一端、第二侧柱的一端垂直固连，所述第一侧柱、第二侧柱另一端端面的中心均设有平行于所述底柱的凹槽；

所述H型连接件包含第一竖柱、第二竖柱和横柱，其中，所述横柱的两端分别和第一竖柱的中点、第二竖柱的中点垂直固连，所述第一竖柱、第二竖柱两端端面的中心均设有平行于所述横柱的凹槽；

所述压电双晶片呈矩形，其内晶片均沿厚度方向极化且极化方向相同；

所述4N个压电双晶片通过4N-1个H型连接件依次相连，其中，H型连接件中第一竖柱、第二竖柱上在其横柱一侧的凹槽均和其上一个压电双晶片的一端过盈配合，第一竖柱、第二竖柱上在其横柱另一侧的凹槽均和其下一个压电双晶片的一端过盈配合；

所述2个U型连接件中一个U形连接件两个侧柱上的凹槽均和第一个压电双晶片远离第二个压电双晶片的一端过盈配合，另一个U形连接件两个侧柱上的凹槽均和第4N个压电双晶片远离第4N-1个压电双晶片的一端过盈配合；

将4N个压电双晶片按顺序划分为2N个压电双晶片组，每个压电双晶片组包含2个压电双晶片，则该2N个压电双晶片组中，同一个压电双晶片组中两个压电双晶片的极化方向相同，相邻压电双晶片组中压电双晶片的极化方向相反。

作为本发明一种全深海微小型波形水下推进器进一步的优化方案，还包含第一至第四调节螺钉、以及第一至第二弹性拉绳；

所述U形连接件底柱两端端面的中心均设有螺纹盲孔；

所述H型连接件在其第一竖柱、第二竖柱外侧的中心均设有吊耳，且吊耳上均设有平行于所述第一竖柱的限位通孔；

所述第一、第二调节螺钉分别和所述2个U形连接件中一个U形连接件底柱两端的螺纹盲孔螺纹相连，所述第三、第四调节螺钉分别和另一个U形连接件底柱两端的螺纹盲孔螺纹相连，令第一、第三调节螺栓在同一侧，第二、第四调节螺栓在同一侧；

所述第一弹性拉绳的一端和所述第一调节螺栓的螺柱固连，另一端依次穿过所述2N-1个H型连接件上和第一调节螺栓位于同一侧的吊耳上的限位通孔后和所述第三调节螺栓的螺柱固连，呈拉伸状；

所述第二弹性拉绳的一端和所述第二调节螺栓的螺柱固连，另一端依次穿过所述2N-1个H型连接件上和第二调节螺栓位于同一侧的吊耳上的限位通孔后和所述第四调节螺栓的螺柱固连，呈拉伸状；

所述第一、第三调节螺栓用于相互配合以调整第一弹性拉绳的预紧力，第二、第四调节螺栓用于相互配合以调整第二弹性拉绳的预紧力。

作为本发明一种全深海微小型波形水下推进器进一步的优化方案，所述N取2。

本发明还公开了一种该全深海微小型波形水下推进器的驱动方法，包含如下步骤：

令4N个压电双晶片中排序为奇数的压电双晶片为A组压电双晶片，排序为偶数的压电双晶片为B组压电双晶片，采用第一信号激励A组压电双晶片中的各个压电双晶片，同时采用第二信号激励B组压电双晶片中的各个压电双晶片，所述第一、第二信号同频同幅且相位差为π/2，令i为大于等于1小于等于N的自然数，则：

当T=0时，第2i个、第4i个压电双晶片上施加正电位，第i个、第3i个压电双晶片上为零电位，使得第2i个压电双晶片向上弯曲，第4i个压电双晶片向下弯曲，第i个、第3i个压电双晶片不动；

当T=π/2时，第i个、第3i个压电双晶片上施加正电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加零电位，使得第i个压电双晶片向下弯曲，第3i个压电双晶片向上弯曲，第2i个、第4i个压电双晶片弯曲方向保持不变；

当T=3π/2时，第i个、第3i个压电双晶片上施加零电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加负电位，使得第2i个压电双晶片向下弯曲，第4i个压电双晶片向上弯曲，第i个、第3i个压电双晶片弯曲方向保持不变；

当T=π时，第i个、第3i个压电双晶片上施加负电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加零电位，使得第i个压电双晶片向上弯曲，第3i个压电双晶片向下弯曲，第2i个、第4i个压电双晶片弯曲方向保持不变；

第一信号、第二信号不断随时间变化，第i个至第4i个压电双晶片的振型也不断随时间改变，使推进器内产生空间、时间相差90°的两组驻波，两组驻波叠加形成一组行波，实现水下的波形推进；

如需波形推进器实现水中的反向波形推进，调整第一、第二信号的相位差为-π/2即可。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

结构简单，便于微小型化；

控制方式简单。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中U型连接件的结构示意图；

图3是本发明中H型连接件的结构示意图；

图4是本发明中压电双晶片的接线示意图；

图5是本发明中波形推进器的极化方向以及接线示意图；

图6(a)、图6 (b)分别是本发明中波形推进器T=0时的振型示意图、仿真示意图；

图7(a)、图7(b) 分别是本发明中波形推进器T=π/2时的振型示意图、仿真示意图；

图8(a)、图8(b) 分别是本发明中波形推进器T=3π/2时的振型示意图、仿真示意图；

图9(a)、图9(b) 分别是本发明中波形推进器T=π时的振型示意图、仿真示意图；

其中，1-第一U型连接件，2-第一H型连接件，3-第三压电双晶片，4-第一拉绳，5-第一调节螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本发明公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种全海深微小型波形水下推进器，包括4N个压电双晶片、4N-1个H型连接件、以及2个U型连接件，N为大于等于1的自然数；

如图2所示，所述U形连接件包含第一侧柱、第二侧柱和底柱，其中，所述底柱的两端分别和第一侧柱的一端、第二侧柱的一端垂直固连，所述第一侧柱、第二侧柱另一端端面的中心均设有平行于所述底柱的凹槽；

如图3所示，所述H型连接件包含第一竖柱、第二竖柱和横柱，其中，所述横柱的两端分别和第一竖柱的中点、第二竖柱的中点垂直固连，所述第一竖柱、第二竖柱两端端面的中心均设有平行于所述横柱的凹槽；

如图4所示，所述压电双晶片呈矩形，其内晶片均沿厚度方向极化且极化方向相同；

所述4N个压电双晶片通过4N-1个H型连接件依次相连，其中，H型连接件中第一竖柱、第二竖柱上在其横柱一侧的凹槽均和其上一个压电双晶片的一端过盈配合，第一竖柱、第二竖柱上在其横柱另一侧的凹槽均和其下一个压电双晶片的一端过盈配合；

所述2个U型连接件中一个U形连接件两个侧柱上的凹槽均和第一个压电双晶片远离第二个压电双晶片的一端过盈配合，另一个U形连接件两个侧柱上的凹槽均和第4N个压电双晶片远离第4N-1个压电双晶片的一端过盈配合；

将4N个压电双晶片按顺序划分为2N个压电双晶片组，每个压电双晶片组包含2个压电双晶片，则该2N个压电双晶片组中，同一个压电双晶片组中两个压电双晶片的极化方向相同，相邻压电双晶片组中压电双晶片的极化方向相反。

本发明还可以包含第一至第四调节螺钉、以及第一至第二弹性拉绳；

所述U形连接件底柱两端端面的中心均设有螺纹盲孔；

所述H型连接件在其第一竖柱、第二竖柱外侧的中心均设有吊耳，且吊耳上均设有平行于所述第一竖柱的限位通孔；

所述第一、第二调节螺钉分别和所述2个U形连接件中一个U形连接件底柱两端的螺纹盲孔螺纹相连，所述第三、第四调节螺钉分别和另一个U形连接件底柱两端的螺纹盲孔螺纹相连，令第一、第三调节螺栓在同一侧，第二、第四调节螺栓在同一侧；

所述第一弹性拉绳的一端和所述第一调节螺栓的螺柱固连，另一端依次穿过所述2N-1个H型连接件上和第一调节螺栓位于同一侧的吊耳上的限位通孔后和所述第三调节螺栓的螺柱固连，呈拉伸状；

所述第二弹性拉绳的一端和所述第二调节螺栓的螺柱固连，另一端依次穿过所述2N-1个H型连接件上和第二调节螺栓位于同一侧的吊耳上的限位通孔后和所述第四调节螺栓的螺柱固连，呈拉伸状；

所述第一、第三调节螺栓用于相互配合以调整第一弹性拉绳的预紧力，第二、第四调节螺栓用于相互配合以调整第二弹性拉绳的预紧力。

本发明中N优先取2。

本发明还公开了一种该全深海微小型波形水下推进器的驱动方法，包含如下步骤：

令4N个压电双晶片中排序为奇数的压电双晶片为A组压电双晶片，排序为偶数的压电双晶片为B组压电双晶片，采用第一信号激励A组压电双晶片中的各个压电双晶片，同时采用第二信号激励B组压电双晶片中的各个压电双晶片，所述第一、第二信号同频同幅且相位差为π/2，令i为大于等于1小于等于N的自然数，如图5所示，则：

当T=0时，第2i个、第4i个压电双晶片上施加正电位，第i个、第3i个压电双晶片上为零电位，使得第2i个压电双晶片向上弯曲，第4i个压电双晶片向下弯曲，第i个、第3i个压电双晶片不动，如图6（a）、图6（b）所示；

当T=π/2时，第i个、第3i个压电双晶片上施加正电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加零电位，使得第i个压电双晶片向下弯曲，第3i个压电双晶片向上弯曲，第2i个、第4i个压电双晶片弯曲方向保持不变，如图7（a）、图7（b）所示；

当T=3π/2时，第i个、第3i个压电双晶片上施加零电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加负电位，使得第2i个压电双晶片向下弯曲，第4i个压电双晶片向上弯曲，第i个、第3i个压电双晶片弯曲方向保持不变，如图8（a）、图8（b）所示；

当T=π时，第i个、第3i个压电双晶片上施加负电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加零电位，使得第i个压电双晶片向上弯曲，第3i个压电双晶片向下弯曲，第2i个、第4i个压电双晶片弯曲方向保持不变，如图9（a）、图9（b）所示；

第一信号、第二信号不断随时间变化，第i个至第4i个压电双晶片的振型也不断随时间改变，使推进器内产生空间、时间相差90°的两组驻波，两组驻波叠加形成一组行波，实现水下的波形推进；

如需波形推进器实现水中的反向波形推进，调整第一、第二信号的相位差为-π/2即可。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全海深微小型波形水下推进器，其特征在于，包括4N个压电双晶片、4N-1个H型连接件、以及2个U型连接件，N为大于等于1的自然数；

所述U形连接件包含第一侧柱、第二侧柱和底柱，其中，所述底柱的两端分别和第一侧柱的一端、第二侧柱的一端垂直固连，所述第一侧柱、第二侧柱另一端端面的中心均设有平行于所述底柱的凹槽；

所述H型连接件包含第一竖柱、第二竖柱和横柱，其中，所述横柱的两端分别和第一竖柱的中点、第二竖柱的中点垂直固连，所述第一竖柱、第二竖柱两端端面的中心均设有平行于所述横柱的凹槽；

所述压电双晶片呈矩形，其内晶片均沿厚度方向极化且极化方向相同；

所述4N个压电双晶片通过4N-1个H型连接件依次相连，其中，H型连接件中第一竖柱、第二竖柱上在其横柱一侧的凹槽均和其上一个压电双晶片的一端过盈配合，第一竖柱、第二竖柱上在其横柱另一侧的凹槽均和其下一个压电双晶片的一端过盈配合；

所述2个U型连接件中一个U形连接件两个侧柱上的凹槽均和第一个压电双晶片远离第二个压电双晶片的一端过盈配合，另一个U形连接件两个侧柱上的凹槽均和第4N个压电双晶片远离第4N-1个压电双晶片的一端过盈配合；

将4N个压电双晶片按顺序划分为2N个压电双晶片组，每个压电双晶片组包含2个压电双晶片，则该2N个压电双晶片组中，同一个压电双晶片组中两个压电双晶片的极化方向相同，相邻压电双晶片组中压电双晶片的极化方向相反。

2.根据权利要求1所述的全深海微小型波形水下推进器，其特征在于，还包含第一至第四调节螺钉、以及第一至第二弹性拉绳；

所述U形连接件底柱两端端面的中心均设有螺纹盲孔；

所述H型连接件在其第一竖柱、第二竖柱外侧的中心均设有吊耳，且吊耳上均设有平行于所述第一竖柱的限位通孔；

所述第一、第二调节螺钉分别和所述2个U形连接件中一个U形连接件底柱两端的螺纹盲孔螺纹相连，所述第三、第四调节螺钉分别和另一个U形连接件底柱两端的螺纹盲孔螺纹相连，令第一、第三调节螺栓在同一侧，第二、第四调节螺栓在同一侧；

所述第一弹性拉绳的一端和所述第一调节螺栓的螺柱固连，另一端依次穿过所述2N-1个H型连接件上和第一调节螺栓位于同一侧的吊耳上的限位通孔后和所述第三调节螺栓的螺柱固连，呈拉伸状；

所述第二弹性拉绳的一端和所述第二调节螺栓的螺柱固连，另一端依次穿过所述2N-1个H型连接件上和第二调节螺栓位于同一侧的吊耳上的限位通孔后和所述第四调节螺栓的螺柱固连，呈拉伸状；

所述第一、第三调节螺栓用于相互配合以调整第一弹性拉绳的预紧力，第二、第四调节螺栓用于相互配合以调整第二弹性拉绳的预紧力。

3.根据权利要求1或2所述的全深海微小型波形水下推进器，其特征在于，所述N取2。

4.基于权利要求1或2所述的全深海微小型波形水下推进器的驱动方法，其特征在于，包含如下步骤：

令4N个压电双晶片中排序为奇数的压电双晶片为A组压电双晶片，排序为偶数的压电双晶片为B组压电双晶片，采用第一信号激励A组压电双晶片中的各个压电双晶片，同时采用第二信号激励B组压电双晶片中的各个压电双晶片，所述第一、第二信号同频同幅且相位差为π/2，令i为大于等于1小于等于N的自然数，则：

当T=0时，第2i个、第4i个压电双晶片上施加正电位，第i个、第3i个压电双晶片上为零电位，使得第2i个压电双晶片向上弯曲，第4i个压电双晶片向下弯曲，第i个、第3i个压电双晶片不动；

当T=π/2时，第i个、第3i个压电双晶片上施加正电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加零电位，使得第i个压电双晶片向下弯曲，第3i个压电双晶片向上弯曲，第2i个、第4i个压电双晶片弯曲方向保持不变；

当T=3π/2时，第i个、第3i个压电双晶片上施加零电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加负电位，使得第2i个压电双晶片向下弯曲，第4i个压电双晶片向上弯曲，第i个、第3i个压电双晶片弯曲方向保持不变；

当T=π时，第i个、第3i个压电双晶片上施加负电位，第2i个、第4i个压电双晶片上施加零电位，使得第i个压电双晶片向上弯曲，第3i个压电双晶片向下弯曲，第2i个、第4i个压电双晶片弯曲方向保持不变；

第一信号、第二信号不断随时间变化，第i个至第4i个压电双晶片的振型也不断随时间改变，使推进器内产生空间、时间相差90°的两组驻波，两组驻波叠加形成一组行波，实现水下的波形推进；

如需波形推进器实现水中的反向波形推进，调整第一、第二信号的相位差为-π/2即可。

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