CN117262164A - 一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器 - Google Patents

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曹永辉
路阳
包天
杨欧
卢丞一
潘光
宋保维
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Abstract

本发明一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，属于仿生水下航行器领域；包括鱼形主体、位于鱼形主体两侧的仿生胸鳍、位于鱼形主体尾部的尾鳍、自主俘能模块，及位于鱼形主体内的储能模块、浮力系统、质心系统、控制系统；所述仿生胸鳍为主被动变形扑翼，包括主动运动模块、及与主动运动模块联动的被动变形模块，通过联动作用关系增大扑翼的整体变形能力；所述尾鳍包括旋转驱动部件，通过旋转驱动部件控制尾鳍绕鱼形主体的中轴线转动，实现尾鳍偏转角度的调整。本发明通过自主俘能和储能满足潜水器各耗电器件的正常运行，潜水器采用主被动变形扑翼的胸鳍和独立驱动尾鳍，可以快速改变其在水下的运动状态，提高了潜水器的机动性。

Description

一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器
技术领域
本发明属于仿生水下航行器领域，具体涉及一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器。
背景技术
蝠鲼采用胸鳍机动扑动和低能耗滑翔运动，具备水面漂浮、弓形滑翔、扑翼机动、底栖驻留等多种运动模态，兼具稳定、载荷适配、长航程优势。同时，复杂的海洋环境可为仿生潜水器提供丰富的太阳能、温差能、海流能等潜在能源。
现有技术中的水下仿生航行器，采用多鳍条胸鳍与串联关节尾鳍结构，使航行器同时具有高转向机动性与高俯仰机动性的特点。该技术中的水下仿生航行器其胸鳍与尾鳍一体化，大大削弱了尾鳍在航行器游动过程中的贡献，并且其仿生胸鳍只有主动变形缺少被动变形。
现有技术中公开了采用波浪能自动力航行器，通过齿轮转换箱与螺旋桨连接，用于将储能发条存储的弹性势能转换输出以驱动螺旋桨转动，实现水下长距离自动力航行。但该技术受海洋环境制约，且其以弹性势能形式储存的续航力不能长时间储存，因此其续航时间受到限制。
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种突破传统运用方式的潜水器。本发明基于蝠鲼生物组织结构和行为特点，融合海洋能自主俘能技术，研制了具备水面漂浮俘能中继、弓形滑翔广域监测、扑动机动高精探测、底栖驻留定点侦测等多模态运用方式的仿蝠鲼潜水器，满足水面至水底覆盖、长时自持的监测应用需求。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，通过自主俘能和储能满足潜水器各耗电器件的正常运行，潜水器采用主被动变形扑翼的胸鳍和独立驱动尾鳍，可以快速改变其在水下的运动状态，提高了潜水器的机动性。本发明解决了现有技术中航行器机动性能差和航行时长受限的问题。
本发明的技术方案是：一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，包括鱼形主体、位于鱼形主体两侧的仿生胸鳍、位于鱼形主体尾部的尾鳍、自主俘能模块，及位于鱼形主体内的储能模块、浮力系统、质心系统、控制系统；
所述仿生胸鳍为主被动变形扑翼，包括主动运动模块、及与主动运动模块联动的被动变形模块，通过联动作用关系增大扑翼的整体变形能力；
所述尾鳍包括旋转驱动部件，通过旋转驱动部件控制尾鳍绕鱼形主体的中轴线转动，实现尾鳍偏转角度的调整。
本发明的进一步技术方案是：所述仿生胸鳍包括驱动模块和执行动作的胸鳍主体骨架模块，通过驱动模块控制胸鳍主体骨架模块绕垂直于鱼形主体对称面的垂向转动，实现整体俯仰运动的控制；通过驱动模块控制胸鳍主体骨架上下扑动，完成胸鳍的扑动或滑翔姿态控制；
所述胸鳍主体骨架模块构成仿生胸鳍的支撑，其主动运动模块由驱动模块控制完成动作，其被动变形模块通过与主动运动模块的可变形式连接产生联动，完成胸鳍姿态的变形控制。
本发明的进一步技术方案是：所述胸鳍主体骨架模块包括作为根部支撑的电机安装架、作为上下表面支撑的柔性骨架保型板、作为展向支撑的扑翼主干、及位于扑翼主干末端延伸方向的柔性末端鳍板；所述扑翼主干位于电机安装架和末端鳍板之间，其外周沿展向平行布置多个扑翼骨架；两个所述骨架保型板的根部对称铰接于电机安装架的相对两侧，端部均与末端鳍板的根部铰接，中间部分分别与各扑翼骨架的两侧铰接。
本发明的进一步技术方案是：所述驱动模块包括控制俯仰运动的俯仰驱动单元和控制横滚运动的横滚驱动单元；
所述俯仰驱动单元通过胸鳍保型板安装于鱼形主体侧壁，包括俯仰运动电机，所述俯仰运动电机的输出轴通过传动组件与电机安装架连接，用于驱动电机安装架绕传动组件的输出轴旋转，即胸鳍主体骨架模块整体绕垂直于胸鳍保型板的轴转动，实现了整体俯仰运动的控制；
所述横滚驱动单元包括横滚运动电机，所述横滚运动电机安装于电机安装架上，其输出轴通过电机转接件与扑翼主干的根部连接，用于驱动扑翼主干沿潜水器的垂向摆动，同时骨架保型板、多个扑翼骨架、末端鳍板在扑翼主干的带动下发生变形，完成了胸鳍主体骨架模块的变形，进而实现了胸鳍的变形。
本发明的进一步技术方案是：所述胸鳍内沿展向设置有柔性锂电池，所述柔性锂电池为波浪式抗应力结构锂。
本发明的进一步技术方案是：所述仿生胸鳍外包裹柔性蒙皮。
本发明的进一步技术方案是：所述尾鳍通过尾鳍支撑板连接于鱼形主体的尾部，包括作为支撑的尾鳍鳍板、安装于尾鳍鳍板外围的尾鳍保型板、位于尾鳍中轴线上的回转轴、及驱动回转轴的驱动件，所述回转轴通过尾鳍转接板与尾鳍鳍板连接，用于向尾鳍鳍板传动驱动件的旋转力矩，实现尾鳍姿态的变化。
本发明的进一步技术方案是：还包括安保系统，所述安保系统包括舵机、与舵机输出端依次连接的安保曲柄、安保连杆、安保导杆、铅块支撑板、铅块，所述舵机通过舵机安装板安装于支撑板上，安保导杆通过轴承座安装于支撑板上；通过舵机驱动安保曲柄转动，安保曲柄通过安保连杆带动安保导杆沿其轴向移动，使得安保导杆与铅块支撑板脱离，从而将铅块抛出，以实现潜水器的减重使其上浮。
本发明的进一步技术方案是：所述鱼形主体包括头部和主体躯干，头部搭载前视声纳、相机和光源，位于主体躯干前部；所述主体躯干内设置有电池舱段、质心系统、浮力系统；所述浮力系统和质心系统前后安装于主体躯干的中轴线上，浮力系统用于通过自适应的方式调节潜水器的上浮或下潜，质心系统基于浮力系统的动作进行质心姿态、位置调节，从而调控潜水器的动作；所述电池舱段内安装的电池为潜水器的主要供电来源，同时潜水器在水面漂浮的过程时，通过自主俘能模块俘获太阳能并在锂电池内储能，满足潜水器的整体供电。
本发明的进一步技术方案是：所述储能模块包括电池段内的常规锂电池、胸鳍内的柔性锂电池、及多级分布式储能系统，所述多级分布式储能系统由功率层、高压容量层、低压容量层以及应急层并行组成；其中，功率层用于为浮力液压系统提供能量，高压容量层为除液压系统外的24VDC用电设备提供能源，低压容量层为工作电压12VDC及以下的设备供电，应急层为12VDC功率型电源，主电源失效后该电源启用，通过电压转换可供抛载模块、通讯定位模块、控制系统短时间运行。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明将柔性与常规锂电池相组合，实现俘能能量的分布式存储，满足自持时间内的蓄电池装载能源缺口，提升潜水器电量储量。横滚运动电机与俯仰运动电机带动仿生胸鳍模块进行扑动，实现潜水器的游动，游动过程中改变尾鳍姿态可以实现潜水器的快速上浮与下沉，使得本潜水器具有良好的机动性。在头部装有相机与光源，可以实时捕捉潜水器作业的画面。尾鳍模块有立鳍，在立鳍内部安装有天线。本潜水器采用胸鳍机动扑动和滑翔相结合的运动模式，具备水面漂浮、弓形滑翔、扑翼机动、底栖驻留等多种运动模态，相比传统潜水器兼具稳定、载荷适配、长航程等优势。
具体的，本发明设计了如图4所示的基于鳍射效应的主被动变形扑翼。其俯仰运动电机带扑翼做俯仰运动，横滚运动电机带扑翼做横滚运动，这两个运动成为主动变形。扑翼主干在电机转接件的带动向上或向下转动过程中，上下柔性骨架保型板的间距减小，多级扑翼骨架的会发生倾斜，从而扩大柔性骨架保型板的变形。当扑翼运动到最高点或者最低点时，末端鳍板在惯性和流体力的作用下会发生被动变形，从而增大了扑翼末梢的变形程度，这是扑翼被动变形的体现。
本发明设计了如图5所示的尾鳍模块，其舵机的转动带动回转轴，尾鳍转接板与回转轴连接，而尾鳍鳍板、尾鳍保型板与尾鳍转接板连接，因此回转轴的转动带动其余部件一起转动从而实现尾鳍部分的运动。尾鳍姿态的改变可以实现航行器的快速上浮和下沉，大大提升了航行器的机动性。
针对长期能源供给难题，本发明设计多种锂电池组充电模式，将柔性与常规锂电池相组合，实现俘能能量的分布式存储。首先储能系统蓄电池将化学能转换为电能，主控、电磁阀、传感器等耗电器件通过消耗电能来维持整个系统正常运行；耗电器件运行发热随之将电能转换为热能，潜水器与外界海水的热交换过程则耗散了这些热能；潜水器的俘能系统利用光伏来逆向俘获能力，并进而转换为储能系统的化学能。如图7展示了潜水器运行过程中的能量流向。
附图说明
图1是潜水器整体外部图；
图2是潜水器主体躯干内部结构图；
图3是潜水器头部结构图；
图4是仿生胸鳍模块结构图；
图5是尾鳍模块结构图；
图6是安保系统结构图；
图7是潜水器能量流示意图；
图8是不同结构下柔性电池弯折应力仿真计算与实际电池弯折测试；
图9是基于鳍射效应的主被动变形扑翼的简化示意图。
附图标记说明：1-端盖；2-直筒；3-浮力系统；4-质心系统；5-卡箍；6-安保系统；7-舵机；8-尾鳍转接板；9-回转轴；10-尾鳍支撑板；11-侧面保型；12-浮力块；13-舵机安装板；14-安保曲柄；15-安保轴承座；16-安保导杆；17-支撑板；18-铅块支撑板；19-铅块；20-安保连杆；21-末端鳍板；22-骨架保型板；23-扑翼骨架；24-胸鳍保型板；25-横滚运动电机；26-俯仰运动电机；27-电机转接件；28-前视声纳；29-相机和光源；30-尾鳍鳍板；31-尾鳍保型板，32-声纳阵；33-天线；34-温盐深仪，35-主体躯干上板；36-头部；37-仿生胸鳍；38-立鳍；39-主体躯干下板；40-扑翼主干、41-连杆、42-第一滚子轴承、43-第二滚子轴承、44-主动锥齿轮、45-被动锥齿轮、46-电机安装架、47-柔性锂电池、48-控制系统。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
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。
基于现有技术中的航行器无法尾鳍无法独立变换姿态，导致航行器机动性能差的问题，及续航时间不足的问题，本发明提供了一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，包括鱼形主体、位于鱼形主体两侧的仿生胸鳍、位于鱼形主体尾部的尾鳍、自主俘能模块，及位于鱼形主体内的储能模块、浮力系统、质心系统、控制系统；所述仿生胸鳍为主被动变形扑翼，包括主动运动模块、及与主动运动模块联动的被动变形模块，通过联动作用关系增大扑翼的整体变形能力；所述尾鳍包括旋转驱动部件，通过旋转驱动部件控制尾鳍绕鱼形主体的中轴线转动，实现尾鳍偏转角度的调整。其中储能模块蓄电池将化学能转换为电能，主控系统、传感器、电机等耗电器件通过消耗电能来维持整个系统正常运行。除蓄电池外主体躯干上板可以吸收太阳能，当航行器在水面漂浮时可以俘获太阳能并进行储能，在扑翼主干上分布有高性能可弯折的柔性赋形锂电池。本潜水器采用胸鳍机动扑动和滑翔相结合的运动模式，具备水面漂浮、弓形滑翔、扑翼机动、底栖驻留等多种运动模态，相比传统潜水器兼具稳定、载荷适配、长航程等优势。
本发明潜水器突破常规深海装备设计理念和运用方式，以蝠鲼为仿生对象，参考其生物组织结构与行为特性研制新概念仿生潜水器，在功能实现上与真实蝠鲼也十分接近。通过自主俘能与柔性储能，提升潜水器长时自持能力。参照图1所示，本发明提出一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，主要包括头部、主体躯干、仿生胸鳍及尾鳍四个模块；潜水器总体呈对称布局，头部位于主体躯干前部，通过紧定螺钉与主体躯干连接；两侧仿生胸鳍关于躯干对称分布，通过胸鳍保型板与主体连接，作为航行器的主要推进力来源；尾鳍位于主体躯干尾部，通过尾鳍支撑板与主体连接，用于为航行器提供额外推进力的同时可改变航行器上浮或下潜的姿态。
参照图2所示，所述主体躯干包括主体躯干上板35、主体躯干下板39，其内部搭载有端盖1、直筒2、浮力系统3、质心系统4、卡箍5、安保系统6、舵机7、尾鳍转接板8、尾鳍支撑板10、侧面保型11、浮力块12、控制系统48，其中浮力系统3和质心系统4前后安装于主体躯干的中轴线上，利用卡箍5与躯干固定；控制系统48位于浮力系统3与质心系统4的末端。浮力系统3用于通过自适应的方式调节潜水器的上浮或下潜，质心系统4基于浮力系统的动作进行质心姿态、位置调节，从而调控潜水器的动作；直筒2和封装与其开口端的端盖1构成电池舱段，位于浮力系统3和质心系统4的两侧，其内安装的电池为潜水器的主要供电来源，同时潜水器在水面漂浮的过程时，通过自主俘能模块俘获太阳能并在锂电池内储能，满足潜水器的整体供电。所述安保系统6位于质心系统4的后方，浮力块12位于主体躯干的外缘出，通过侧面保型11提供对主体躯干侧面的支撑，尾鳍转接板8通过回转轴9与尾鳍连接。
参照图3所示，所述鱼形主体的头部搭载前视声纳28、相机和光源29，位于主体躯干前部，通过卡紧螺钉与主体躯干连接。
所述仿生胸鳍是具备鳍射效应(Fin-Ray Effect)的主被动兼具的扑翼，包括驱动模块和执行动作的胸鳍主体骨架模块，通过驱动模块控制胸鳍主体骨架模块绕垂直于鱼形主体对称面的垂向转动，实现整体俯仰运动的控制；通过驱动模块控制胸鳍主体骨架上下扑动，完成胸鳍的扑动或滑翔姿态控制；所述胸鳍主体骨架模块构成仿生胸鳍的支撑，其主动运动模块由驱动模块控制完成动作，其被动变形模块通过与主动运动模块的可变形式连接产生联动，完成胸鳍姿态的变形控制。
所述胸鳍主体骨架模块包括作为根部支撑的电机安装架46、作为上下表面支撑的柔性骨架保型板22、作为展向支撑的扑翼主干40、及位于扑翼主干末端延伸方向的柔性末端鳍板21；所述扑翼主干40位于电机安装架46和末端鳍板21之间，其外周沿展向平行布置多个扑翼骨架23；两个所述骨架保型板22的根部对称铰接于电机安装架46的相对两侧，端部均与末端鳍板21的根部铰接，中间部分分别与各扑翼骨架23的两侧铰接。
所述驱动模块包括控制俯仰运动的俯仰驱动单元和控制横滚运动的横滚驱动单元；所述俯仰驱动单元通过胸鳍保型板24安装于鱼形主体侧壁，包括俯仰运动电机26，所述俯仰运动电机26的输出轴通过传动组件与电机安装架46连接，用于驱动电机安装架46绕传动组件的输出轴旋转，即胸鳍主体骨架模块整体绕垂直于胸鳍保型板的轴转动，实现了整体俯仰运动的控制；所述横滚驱动单元包括横滚运动电机25，所述横滚运动电机25安装于电机安装架46上，其输出轴通过电机转接件27与扑翼主干40的根部连接，用于驱动扑翼主干40沿潜水器的垂向摆动，同时骨架保型板22、多个扑翼骨架23、末端鳍板21在扑翼主干的带动下发生变形，完成了胸鳍主体骨架模块的变形，进而实现了胸鳍的变形。
具体的，参照图4所示，所述仿生胸鳍模块包括胸鳍保型板24、一至四级扑翼骨架23、柔性骨架保型板22、末端鳍板21、横滚运动电机25、俯仰运动电机26、电机转接件27、扑翼主干40、连杆41、第一滚子轴承42、第二滚子轴承43、主动锥齿轮44、被动锥齿轮45、电机安装架46。俯仰运动电机24通过安装架固定在胸鳍保型板24上，主动锥齿轮44固定在俯仰运动电机26的输出端，与被锥齿轮45啮合，被锥齿轮45的轴向垂直于胸鳍保型板24的板面；所述连杆41的一端通过第一滚子轴承42与胸鳍保型板24转动连接，另一端同轴安装于被锥齿轮45的中心孔，所述被锥齿轮45通过第二滚子轴承43与安装俯仰运动电机26的安装架转动连接，连杆41的末端穿过被锥齿轮45的中心孔固定于电机安装架46的限位孔内。俯仰运动电机26驱动主动锥齿轮44转动，带动被动锥齿轮45和连杆41旋转，同时带动电机安装架46旋转，完对胸鳍主体骨架模块的转动控制，从而实现整体俯仰运动的控制。横滚运动电机25的输出端为电机转接件27，电机转接件27与扑翼主干40固定，扑翼主干40的末端为柔性末端鳍板21。在扑翼主干40部分等间距安装有一至四级扑翼骨架23，同时在扑翼主干10上下各有一个柔性骨架保型板22对骨架保形。柔性骨架保型板22与扑翼骨架40为转动连接。横滚运动电机25驱动电机转接件27，电机转接件27带动扑翼主干40和一至四级扑翼骨架23进行转动。在转动过程中，扑翼骨架23会发生倾斜，其转动中心即为扑翼骨架23和柔性骨架保型板22的连接位置。扑翼骨架23的倾斜会增大柔性骨架保型板22的变形，从而增大了纯电机驱动情况下的柔性扑翼蒙皮的变形。在扑翼整体运动到最高端或者最低端时，由于柔性末端鳍板21与扑翼主干40为两个部件，柔性末端鳍板21在惯性和流体的作用下会进一步弯折，呈现一个弓形的姿态。根据现有研究，真实的蝠鲼会采取这种“弓形滑翔”的姿态增加其游动的效率。
参照图9所示，本实施例采用了主被动变形的柔性扑翼，尽可能还原真实蝠鲼生物的运动方式，从而提高潜水器的游动效率。主动驱动部分为横滚运动电机25带动扑翼主干40进行扑动，俯仰运动电机26实现俯仰运动。被动变形部分为扑翼主干40扑动过程中扑翼骨架23会发生倾斜，从而导致柔性骨架保型板22发生变形，并且末端鳍板21在流体力的作用下会发生被动变形，因此扑翼整体的变形得到增大。
所述尾鳍通过尾鳍支撑板10连接于鱼形主体的尾部，包括作为支撑的尾鳍鳍板30、安装于尾鳍鳍板外围的尾鳍保型板31、位于尾鳍中轴线上的回转轴9、及驱动回转轴9的舵机7，所述回转轴9通过尾鳍转接板8与尾鳍鳍板30连接，用于向尾鳍鳍板30传动舵机7的旋转力矩，实现尾鳍姿态的变化。
具体的，参照图5所示，所述航行器尾鳍模块包括舵机7、尾鳍转接板8、回转轴9、尾鳍支撑板10、尾鳍鳍板30、尾鳍保型板31、声纳阵32、天线33、温盐深仪34。尾鳍模块通过尾鳍支撑板10连接在主躯干的尾部，舵机7安装在尾鳍支撑板10上，其输出轴回转轴9连接。尾鳍鳍板30与尾鳍保型板31紧密配合，并通过尾鳍转接板8与回转轴9固定，回转轴9的转动带动其余部分的转动，从而实现尾鳍姿态的变化。天线33位于立鳍38内，用于接收信号，温盐深仪(34)用于测量海水温度、盐度、深度。回转轴9带动尾鳍鳍板30和尾鳍转接板8进行摆动，从而实现尾鳍运动。通过天线33接收信号，温盐深仪34和声纳阵32能进行信息采集。本航行器搭载温盐深CTD、声速剖面仪、主被动声呐、光学摄像等多源载荷，能进行温、盐、声、光、磁等多源信息融合与分析。
所述潜水器的安保系统6包括舵机7、与舵机7输出端依次连接的安保曲柄14、安保连杆20、安保导杆16、铅块支撑板18、铅块19，所述舵机7通过舵机安装板13安装于支撑板17上，安保导杆16通过轴承座15安装于支撑板17上；通过舵机7驱动安保曲柄转动14，安保曲柄14通过安保连杆20带动安保导杆16沿其轴向移动，使得安保导杆16与铅块支撑板18脱离，从而将铅块19抛出，以实现潜水器的减重使其上浮。
具体的，参照图6所示，所述安保系统6由舵机安装板13、舵机7、安保曲柄14、安保连杆20、安保导杆16、安保轴承座15、支撑板17、铅块支撑板18、铅块19组成。舵机7安装在舵机安装板13上，安保曲柄14与舵机输出轴过盈配合；安保连杆20一端与安保曲柄14连接，一端与安保导杆16连接，安保导杆16通过安保轴承座15与铅块支撑板18连接，铅块支撑板下端连有铅块19。支撑板17与舵机安装板13和安保轴承座15通过螺栓连接，为以上结构提供支撑和安装平台。铅块支撑板18穿过支撑板17与铅块19连接。所述安保字体6在航行器处于超深、失联状态时会自动触发，通过舵机驱动最终会抛出负载铅块，从而使潜水器上浮到水面以上进行安全回收。
参照图7所述，本实施例设计多种锂电池组充电模式，将柔性与常规锂电池相组合，实现俘能能量的分布式存储。首先储能系统蓄电池将化学能转换为电能，主控、电磁阀、传感器等耗电器件通过消耗电能来维持整个系统正常运行；耗电器件运行发热随之将电能转换为热能，潜水器与外界海水的热交换过程则耗散了这些热能；潜水器的俘能系统利用光伏来逆向俘获能力，并进而转换为储能系统的化学能。如图7展示了潜水器运行过程中的能量流向。
所述胸鳍内沿展向设置有柔性锂电池，所述柔性锂电池为波浪式抗应力结构锂。针对目前柔性电池比能量低且弯折导致容量保持率衰减的情况，本实施例采用高比能可赋性电极材料提升电池整体能量密度。所述可弯折柔性锂电池基于“类聚合物”概念，设计并构筑新型导电骨架的类聚合物有机正极，利用官能团富集化思路，将氮氧自由基等有机官能团通过化学键结合的方式原位生长在导电骨架上，在提升整体导电性的同时，增加氮氧自由基单体的含量，提升材料的放电比容量。根据软包电池特点，采用波浪式抗应力结构锂电池，通过建模仿真对波浪式弯折结构内应力进行仿真，给出最佳曲率半径，并根据实际工作环境对不同角度下柔性锂电池的弯折性能进行验证分析，不断迭代优化整体电池性能。图8为不同结构下柔性电池弯折应力仿真计算与实际电池弯折测试。所述潜水器主要通过在海平面俘获太阳能，经由锂电池进行储能，从而满足长时间续航要求。
本发明锂电池使用可弯折高导电材料和压力自适应电极材料，实现潜水器内部空间的高效使用，提高样机储能总量。
潜水器各功能单元的耗电器件均按预设计划流程消耗电能来实现预设功能任务，共同保障系统正常运转；同时系统剖面俘获的能量能满足自持时间内的蓄电池装载能源缺口。
为更好的评价俘能系统的能量补给能力，定义能量补给率k来衡量海洋俘能系统的供能效用：
Wpower(vY0，h，Pl，P2L)＝Ebattery(vY0，θ，nE，η1，η2L)+Eabsorb
本潜水器采用多级分布式储能系统，由功率层、高压容量层、低压容量层以及应急层并行组成。24VDC锂电池组作为功率层专门用来驱动浮力液压系统等高功率器件。高压容量层为除液压系统外的24VDC用电设备提供能源，低压容量层为工作电压12VDC及以下的设备供电，应急层为12VDC功率型电源，主电源失效后该电源启用，通过电压转换可供抛载模块、通讯定位模块、控制系统短时间运行。
多级分布式储能系统各层次电源正常工作时互不影响，当出现层次异常或能源分配不均等情况时，高压电源可向同级和低级电源提供能量。多级分布式储能系统的设计避免了电源波动对其他设备引起的扰动，降低电池输出电流，提高电池放电效率，并行结构明显降低潜水器风险概率。
所述仿生扑翼通过横滚运动电机25和俯仰运动电机26两个方向的运动耦合，可以使扑翼产生类似摆旋机构的运动特性，从而提高推进力和扑动的效率。
在制作所述柔性锂电时基于“类聚合物”概念，设计并构筑新型导电骨架的类聚合物有机正极，利用官能团富集化思路，将氮氧自由基等有机官能团通过化学键结合的方式原位生长在导电骨架上。
在制作所述柔性锂电时，采用水热法等化学方法对石墨烯的表面进行羧基化处理，同时去除夹杂在石墨烯表面上的羟基和环氧基等官能团，并且可根据反应条件来控制羧基生长的数量。
为避免氮氧自由基在原位生长过程中失活，先对石墨烯等碳材料表面的羧基进行酰氯化，再与携带羟基的氮氧自由基化合物(如2，2，6，6-四甲基-4-羟基哌啶-1-氧自由基，HTEMPO)进行缩合反应，将氮氧自由基原位生长在石墨烯等碳材料的表面上。
在上述步骤后，采用含有“O＝C-N”的溶剂(如N-甲基吡咯烷酮，NMP)，通过喷雾干燥法将NMP在高温条件下裂解，将断裂形成的氮氧自由基以化学键的方式生长在石墨烯等具有碳结构的三维碳材料表面上。
在电极材料的装配时，制备含有导电炭黑和不含有导电炭黑两种体系的电极片，同时正极极片的涂覆厚度从20μm-200μm不等，对比其电化学性能的不同。为了验证制备的材料在充放电过程中是否会被电解液溶解，采用1.0mol/LLiPF6/EC+DEC+DMC(体积比为1:1:1)的电解液。
所述仿生胸鳍外层蒙皮为采用突破性的异质材料增材制造成型技术，选用树脂、TPU等不同材料属性的材质作为仿生组织的成型组分，基于真实蝠鲼胸鳍的骨骼肌肉组织分布，结合非均匀、大尺度、参数化、自适应立方晶格生成技术，截面为NACA翼型。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：包括鱼形主体、位于鱼形主体两侧的仿生胸鳍、位于鱼形主体尾部的尾鳍、自主俘能模块，及位于鱼形主体内的储能模块、浮力系统、质心系统、控制系统；
所述仿生胸鳍为主被动变形扑翼，包括主动运动模块、及与主动运动模块联动的被动变形模块，通过联动作用关系增大扑翼的整体变形能力；
所述尾鳍包括旋转驱动部件，通过旋转驱动部件控制尾鳍绕鱼形主体的中轴线转动，实现尾鳍偏转角度的调整。
2.根据权利要求1所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述仿生胸鳍包括驱动模块和执行动作的胸鳍主体骨架模块，通过驱动模块控制胸鳍主体骨架模块绕垂直于鱼形主体对称面的垂向转动，实现整体俯仰运动的控制；通过驱动模块控制胸鳍主体骨架上下扑动，完成胸鳍的扑动或滑翔姿态控制；
所述胸鳍主体骨架模块构成仿生胸鳍的支撑，其主动运动模块由驱动模块控制完成动作，其被动变形模块通过与主动运动模块的可变形式连接产生联动，完成胸鳍姿态的变形控制。
3.根据权利要求2所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述胸鳍主体骨架模块包括作为根部支撑的电机安装架、作为上下表面支撑的柔性骨架保型板、作为展向支撑的扑翼主干、及位于扑翼主干末端延伸方向的柔性末端鳍板；所述扑翼主干位于电机安装架和末端鳍板之间，其外周沿展向平行布置多个扑翼骨架；两个所述骨架保型板的根部对称铰接于电机安装架的相对两侧，端部均与末端鳍板的根部铰接，中间部分分别与各扑翼骨架的两侧铰接。
4.根据权利要求2所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述驱动模块包括控制俯仰运动的俯仰驱动单元和控制横滚运动的横滚驱动单元；
所述俯仰驱动单元通过胸鳍保型板安装于鱼形主体侧壁，包括俯仰运动电机，所述俯仰运动电机的输出轴通过传动组件与电机安装架连接，用于驱动电机安装架绕传动组件的输出轴旋转，即胸鳍主体骨架模块整体绕垂直于胸鳍保型板的轴转动，实现了整体俯仰运动的控制；
所述横滚驱动单元包括横滚运动电机，所述横滚运动电机安装于电机安装架上，其输出轴通过电机转接件与扑翼主干的根部连接，用于驱动扑翼主干沿潜水器的垂向摆动，同时骨架保型板、多个扑翼骨架、末端鳍板在扑翼主干的带动下发生变形，完成了胸鳍主体骨架模块的变形，进而实现了胸鳍的变形。
5.根据权利要求1所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述胸鳍内沿展向设置有柔性锂电池，所述柔性锂电池为波浪式抗应力结构锂。
6.根据权利要求1所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述仿生胸鳍外包裹柔性蒙皮。
7.根据权利要求1所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述尾鳍通过尾鳍支撑板连接于鱼形主体的尾部，包括作为支撑的尾鳍鳍板、安装于尾鳍鳍板外围的尾鳍保型板、位于尾鳍中轴线上的回转轴、及驱动回转轴的驱动件，所述回转轴通过尾鳍转接板与尾鳍鳍板连接，用于向尾鳍鳍板传动驱动件的旋转力矩，实现尾鳍姿态的变化。
8.根据权利要求1-7任一项所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：还包括安保系统，所述安保系统包括舵机、与舵机输出端依次连接的安保曲柄、安保连杆、安保导杆、铅块支撑板、铅块，所述舵机通过舵机安装板安装于支撑板上，安保导杆通过轴承座安装于支撑板上；通过舵机驱动安保曲柄转动，安保曲柄通过安保连杆带动安保导杆沿其轴向移动，使得安保导杆与铅块支撑板脱离，从而将铅块抛出，以实现潜水器的减重使其上浮。
9.根据权利要求1所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述鱼形主体包括头部和主体躯干，头部搭载前视声纳、相机和光源，位于主体躯干前部；所述主体躯干内设置有电池舱段、质心系统、浮力系统；所述浮力系统和质心系统前后安装于主体躯干的中轴线上，浮力系统用于通过自适应的方式调节潜水器的上浮或下潜，质心系统基于浮力系统的动作进行质心姿态、位置调节，从而调控潜水器的动作；所述电池舱段内安装的电池为潜水器的主要供电来源，同时潜水器在水面漂浮的过程时，通过自主俘能模块俘获太阳能并在锂电池内储能，满足潜水器的整体供电。
10.根据权利要求1所述一种基于太阳能俘能的仿蝠鲼潜水器，其特征在于：所述储能模块包括电池段内的常规锂电池、胸鳍内的柔性锂电池、及多级分布式储能系统，所述多级分布式储能系统由功率层、高压容量层、低压容量层以及应急层并行组成；其中，功率层用于为浮力液压系统提供能量，高压容量层为除液压系统外的24VDC用电设备提供能源，低压容量层为工作电压12VDC及以下的设备供电，应急层为12VDC功率型电源，主电源失效后该电源启用，通过电压转换可供抛载模块、通讯定位模块、控制系统短时间运行。
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