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Die
vorliegende Erfindung betrifft Unterwasserfahrzeuge, wie zum Beispiel
ein künstlicher
Fisch, ein Unterwasser-Forschungsfahrzeug und ein Unterwasser-Arbeitsboot, und
insbesondere Fahrzeuge, die eine Antriebskraft mittels schwingender
Flügel
erzeugen.
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In
der 1 wird ein herkömmliches
Unterwasserfahrzeug 100 gezeigt, bei dem eine Antriebskraft
durch einen Schraubenpropeller 101 erzeugt wird. Bei der
Art von Unterwasserfahrzeug 100 wirkt die durch den Schraubenpropeller 101 erzeugte
Antriebskraft nur in Richtung der Drehachse. Um die Fahrtrichtung
des Unterwasserfahrzeugs 100 zu steuern, sind Hilfsvorrichtungen,
wie ein Ruder 102 und ein Ruderpropeller 103 für die Seite
und dem Steven des Unterwasserfahrzeugs 100 vorgesehen. Diese
Art von Unterwasserfahrzeug 100 kann auf zufriedenstellende
Art und Weise geradlinig fahren, jedoch sind die Richtungssteuerung
und die Steuerung für
dessen Positionsbeibehaltung eingeschränkt.
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Die
Verwendung des Schraubenpropellers 101 und des Ruderpropellers 103 ist
dadurch unvorteilhaft, dass, wenn sie eingesetzt werden, sich Objekte
um sie herum während
der Rotation verfangen können.
Aus diesem Grund wird manchmal die Verwendung des Unterwasserfahrzeugs
zum Zwecke der Gewährleistung
der Sicherheit eingeschränkt.
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In
der
DE 34 23 405 ist
ein Wasserfahrzeug beschrieben, das unabhängig von den Bewegungen der
Wasseroberfläche
ist. Dies wird durch Schwimm- und antriebskörper erreicht, die sich im
Ruhigwasser befinden und dem Seegang keine oder nur geringe Angriffspunkte
bieten. An jeder Seite sind an den Schwimm- und Antriebskörpern befestigte Flossen.
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In
der FR 2 710 897 ist ein autonomes Unterwasserfahrzeug, das Druckgas
als Energiequelle verwendet, beschrieben, das durch Flossen gesteuert
wird.
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In
der
US 5,373,800 ist
ein Wasserfahrzeug mit einem Antrieb für einen Unterwasser-Betrieb
mit einer Fischschwanz-Vorrichtung für wellenförmige Antriebserzeugung beschrieben.
Die Fischschwanz-Vorrichtung wird von Wirbelverstärkungsstrahlern
zur Steigerung des erzeugten Antriebes unterstützt.
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Die
FR 89 945,
DE 301 446 und
JP 56 086 890 beschreiben
ebenfalls fischschwanzartige Antriebe für Wasserfahrzeuge oder Mechanismen
von der Art, wie sie in der FR 543 854 beschrieben sind.
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In
der FR 575 791 ist ein Flügel
als ein Antrieb für
Luftfahrzeuge und für
Wasserfahrzeuge beschrieben, der in bewegliche Segmente unterteilt
ist. Eine Vorwärtsbewegung
wird durch die Bewegung dieser Flügel erreicht.
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Die
FR 29 510 offenbart eine Verbesserung der FR 575 791, die eine verformbare
Vorrichtung verwendet, um eine Vorwärtsbewegung durch Ein- und
Auspumpen von Gas zu erzeugen, wobei dies zu einer Verformung des
ballonartigen Körpers
der Vorrichtung führt,
und die FR 30 075 offenbart eine zweite Verbesserung der FR 575
791 mit einem verformbaren Körper.
Die Vorrichtung der FR 30 075 wird durch einen Mechanismus innerhalb
der Vorrichtung verformt.
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Demzufolge
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Unterwasserfahrzeug
zu schaffen, das nicht nur vorwärts
oder rückwärts bewegt,
sondern auch durch Oszillation oder Schwingung der Flügel in der
Art und Weise gesteuert werden kann, dass sie sich wie die Flossen
eines Fisches bewegen.
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Um
das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, umfasst das Unterwasserfahrzeug
der vorliegenden Erfindung ein Unterwasserfahrzeug, wobei die proximalen
Enden der schwingenden Flügel
mit den zwei Seiten des Hauptkörpers
verbunden sind. Die Flügel
werden um eine vertikale Achse durch erste Aktuatoren geschwungen
und die Schwingbe wegung der Flügel
wird mit Bezug auf eine horizontale Achse durch zweite Aktuatoren
gesteuert. Das Unterwasserfahrzeug umfasst eine Flügelsteuerung.
Diese Steuerung steuert die ersten und zweiten Aktuatoren derart,
dass das Unterwasserfahrzeug durch die schwingenden Flügel angetrieben
oder gesteuert werden kann.
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Das
oben beschriebene Unterwasserfahrzeug kann nach vorn oder nach hinten
bewegt werden, in dem Zustand, wenn die Schwingen durch die ersten
Aktuatoren geschwungen und deren veränderlicher Winkelbereich gleichzeitig
durch die zweiten Aktuatoren gesteuert wird. Wenn das Unterwasserfahrzeug
vorwärts
bewegt wird, werden die Flügel von
den ersten Aktuatoren derart angetrieben, dass sich die Flügel nach
vorn und zur Seite strecken. Nachdem die zweiten Aktuatoren die
Flügel
in dem Flügelwinkel-Zustand
eingestellt haben, in dem die Flügelflächen vertikal
sind, werden die Flügel
durch die ersten Aktuatoren nach hinten geschwungen, wobei eine
für die
Vorwärtsbewegung
verwendete Antriebskraft erzeugt wird. Um die Flügel in den ursprünglichen
Zustand zurückzusetzen,
d. h. in den Zustand, in dem sie nach vorn oder seitwärts ausgestreckt
sind, werden die Flügelflächen der
schwingenden Flügel
horizontal gestellt, um den Wasserwiderstand zu reduzieren. Die
Antriebskraft zur Vorwärtsbewegung
wird mit hohem Wirkungsgrad durch wiederholtes Antreiben der schwingenden
Flügel
in rascher Folge derart erzeugt, um die Flügel nach hinten und nach vorn
zu schwingen.
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Das
Unterwasserfahrzeug wird durch Antreiben der Flügel in gegensätzlicher
Weise rückwärts bewegt.
Genauer gesagt, werden die schwingenden Flügel zuerst nach hinten gestreckt
und dann in die vorwärtige
oder seitwärtige
Position geschwungen, wobei die Flügelflächen vertikal gehalten werden. Durch
diese Betätigung
wird die Antriebskraft für
die Rückwärtsbewegung
erzeugt.
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Das
Fahrzeug kann durch Generierung unterschiedlicher Antriebskraftgrößen [für] die schwingenden
Flügel
an der rechten und die an der linken Seite des Fahrzeugs gesteuert
werden.
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Eine
Flügelsteuerung
ist vorgesehen mit:
einem Flügelssteuerungsgenerator zum
Ausgeben eines Steuersignals, durch das die Amplituden, die Frequenzen,
die Oszillationszentren und Phasen der Flügel gesteuert werden.
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Das
Unterwasserfahrzeug der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin:
einen
Tank, in den bzw. aus dem Wasser eingelassen oder abgelassen werden
kann, um die Unterwasserposition des Fahrzeugs zu steuern; und einen
Steuerungsmechanismus zur Steuerung der Wassermenge, die in den
bzw. aus dem Tank eingefüllt
oder abgelassen wird.
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Bei
dem Unterwasserfahrzeug der vorliegenden Erfindung sind eine Vielzahl
von Flügelpaaren reihenförmig angeordnet,
die durch die umkehrbare Rotation der mit den Vorderkanten der Flügel verbundenen
Welle angetrieben werden. Die Amplituden, Frequenzen, Oszillationszentren
und Phasen der Flügel
werden untereinander in Zusammenhang stehend derart gesteuert, dass
die Flügel
gleichmäßig als
ein Ganzes schwingen, als ob sie Fischflossen wären. Infolge der Schwingbewegung
der Flügel kann
das Fahrzeug in einer gewünschten
Weise angetrieben und gesteuert werden. Das Unterwasserfahrzeug
der vorliegenden Erfindung hat daher nicht das Problem, das aufgrund
der Benutzung der herkömmlichen
Schraubenpropellers entsteht.
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In
dem Fall, wenn die rotierenden Wellen zur horizontalen Ausstreckung
angeordnet sind können die
Flügel
betätigt
werden, als ob sie das Ruder eines U-Bootes wären, oder sich bewegen, als
ob sie Fischflossen wären:
Daher ist die Periskoptiefenreichweite des Fahrzeugs variierbar.
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In
dem Fall, wenn das Unterwasserfahrzeug mit einem Tank ausgestattet
ist, in den bzw. aus dem Wasser eingefüllt oder abgelassen werden
kann, funktioniert der Tank so, als ob er die Schwimmblase eines
Fisches wäre.
Mit anderen Worten, der Tank dient dazu, die Schwimmkraft des Fahrzeugs
zu steuern. Daher kann das Absinken und das Fluten des Fahrzeugs
(d. h. die Unterwasserposition des Fahrzeugs) gleichmäßig gesteuert
werden.
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Diese
Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht unbedingt alle erforderlichen
Merkmale, so dass die Erfindung auch eine Unterkombination der beschriebenen
Merkmale sein kann.
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Die
Erfindung wird anhand der nachstehenden, detaillierten Beschreibung
in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich,
in denen
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1 – eine Seitenansicht eines
herkömmlichen
Unterwasserfahrzeugs ist;
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2 – eine Draufsicht ist, die
schematisch den Innenaufbau eines Unterwasserfahrzeugs mit schwingenden
Flügeln
zeigt, wobei es sich um das Unterwasserfahrzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung handelt;
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3 – eine schematische Vorderansicht
ist, die den Innenaufbau des in der 2 gezeigten
Unterwasserfahrzeugs zeigt;
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4 – ein Blockschaltbild ist,
das ein Flügelsteuerungssystem
zeigt, das in dem in den 2 und 3 gezeigten Unterwasserfahrzeug
eingesetzt ist.
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Nun
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, umfasst das Unterwasserfahrzeug
gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Hauptkörper 220 und
einen Antriebs/Steuerungsmechanismus (der zum Antreiben und/oder
Steuern vorgesehen ist).
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Der
in dieser Ausführungsform
verwendete Antriebs-/Steuerungsmechanismus wird beschrieben.
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Schwingende
Flügel 21 sind
an den proximalen Enden mit den Seitenabschnitten des Hauptkörpers 220 des
Unterwasserfahrzeugs 22 verbunden. Der Hauptkörper 220 hat
einen ersten Aktuator 24 und einen zweiten Aktuator 23.
Wenn der erste Aktuator 24 angetrieben wird, werden die
Flügel 21 um eine
vertikale Achse durch eine vertikale Welle 25 geschwungen,
wie durch 21a in 2 gekennzeichnet ist.
Der erste Aktuator 24 besteht normalerweise aus einer hydraulischen
oder elektrischen Zylindervorrichtung. Wenn der zweite Aktuator 23 angetrieben wird,
drehen sich die Flügel 21 um
ihre eigene horizontale Achse in einer umkehrbaren Art und Weise durch
eine horizontale Welle 26, wie durch 21b in der 2 gekennzeichnet ist. Der
zweite Aktuator besteht normalerweise aus einem Motor. Der Antriebs-/Steuerungsmechanismus
wird im Einzelnen beschrieben. Im Wesentlichen L-förmige Antriebsplatten 221 sind
für die
Seitenabschnitte des Hauptkörpers 220 vorgesehen.
Jede Antriebsplatte 221 ist drehbar mit dem Hauptkörper 220 mittels
der vertikalen Welle 25 verbunden, die in dem mittleren
Abschnitt der Antriebsplatte 221 angeordnet ist. Die horizontale
Welle 26 und der zweite Aktuator 23 sind mit einem
Ende der Antriebsplatte 221 gekoppelt. Die Abtriebswelle
des zweiten Aktuators 23 und die horizontale Welle 26 sind
miteinander derart verbunden, dass sie als ein Körper axial drehbar sind. Der schwingende
Flügel 21 ist
an der horizontalen Welle 26 angebracht. Mit diesem Aufbau
dreht die horizontale Welle 26 die schwingenden Flügel 21,
wie mit 21 b in der 2 gekennzeichnet
ist, wenn der zweite Aktuator 23 angetrieben wird. Der
erste Aktuator 24 ist an dem Hauptkörper 220 angebracht.
Die Abtriebswelle des ersten Aktuators 24 ist mit dem anderen
Ende der Antriebsplatte 221 verbunden. Wenn der erste Aktuator 24 angetrieben
wird, schwingt die horizontale Welle 26 den Flügel 21,
wie in der 2 mit 21a gekennzeichnet
ist.
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Wie
in der 4 gezeigt, ist
eine Flügelsteuerung
(WC) 28 vorgesehen. Die Flügelsteuerung (WC) 28 steuert
die ersten und zweiten Aktuatoren 24 und 23 auf
Basis der Bedienungskommandos. Folglich wird das Unterwasserfahrzeug 22 mit tels
der schwingenden Flügel 21 angetrieben
und gesteuert, die an den entsprechenden Seiten des Hauptkörpers 220 des
Fahrzeugs 22 vorgesehen sind.
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Um
das Absinken und Fluten (d. h. die Unterwasserposition) zu steuern,
ist das Unterwasserfahrzeug 22 der zweiten Ausführungsform
mit einem Tank (mit einer Schwimmblase) 29 versehen, wobei dessen
Wassermenge gesteuert werden kann. Das Unterwasserfahrzeug 22 umfasst
ebenfalls ein Steuerungssystem (nicht gezeigt) zur Steuerung der
Wassermenge, die in den bzw. aus dem Tank 29 gefüllt oder
abgelassen wird. Das Bezugszeichen 27 in der 2 bezeichnet eine Batterie
(BAT), die als Energiequelle dient.
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Die
Flügelsteuerung
(WC) 28 zur Steuerung der schwingenden Flügel 21 des
vorstehend genannten Unterwasserfahrzeugs wird mittels folgender Schritte
C1 bis C5 betrieben:
- (C1) Eine Soll-Antriebskraft
(d. h. eine gewünschte Anzahl
an Betätigungen)
wird als eine Antriebskraft bezeichnet, die an dem Schwerpunkt des
Unterwasserfahrzeugs 22 angreifen soll.
- (C2) Die wie unter (C1) angegebene bezeichnete Antriebskraft
wird auf die rechten und linken, schwingenden Flügel 21 derart verteilt,
dass die Antriebskraft die Summe der antreibenden Kräfte wird,
die an den Verbindungspunkten zwischen den rechten und linken schwingenden
Flügeln 21 und
dem Hauptkörper
des Fahrzeugs 21 wirken.
- (C3) Auf Basis der Antriebskraft, die auf jeden schwingenden
Flügel 21 verteilt
wird, werden die Schwingungsgeschwindigkeit und die Amplitude des schwingenden
Flügels
berechnet. Der erste Aktuator 24 wird derart gesteuert,
dass der Drehwinkel der vertikalen Welle 25 der Schwingungsgeschwindigkeit und
der Amplitude entspricht.
- (C4) Der zweite Aktuator 23 wird für die Steuerung der Flügelwinkel
verwen det. In dem Fall, wenn die Antriebskraft in Vorwärtsrichtung
des Fahrzeugs wirken muss, stellt der zweite Aktuator 23 die
schwingenden Flügel
horizontal, wenn sie geöffnet
werden, um so den Wasserwiderstand zu reduzieren. Der zweite Aktuator 23 stellt
die schwingenden Flügel vertikal,
wenn sie geschlossen werden, um so eine große Antriebskraft zu erzeugen.
In dem Fall, wenn die Antriebskraft in die rückwärtige Richtung des Fahrzeugs
wirken muss, stellt der zweite Aktuator 23 die schwingenden
Flügel
vertikal, wenn sie geöffnet werden,
um so eine große
Antriebskraft zu erzeugen. Der zweite Aktuator 23 stellt
die schwingenden Flügel horizontal,
wenn sie geschlossen werden, um so den Wasserwiderstand zu reduzieren.
- (C5) Um das Fahrzeug zu steuern, werden Antriebskräfte von
unterschiedlicher Größenordnung
für die rechten
und die linken schwingenden Flügel
erzeugt, um so das Unterwasserfahrzeug 22 in eine gewünschte Richtung
zu drehen.
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Wie
vorstehend beschrieben, funktionieren die rechten und linken schwingenden
Flügel 21 bei dem
Unterwasserfahrzeug 22 der zweiten Ausführungsform so, als ob sie Brustflossen
eines Fisches wären.
Aufgrund des Einsatzes solcher schwingenden Flügel kann das Unterwasserfahrzeug 22 vorwärts und
rückwärts bewegt
und gesteuert werden. Es ist anzumerken, dass die schwingenden Flügel 21 als
Ruder verwendet werden können,
indem der Winkel der Flügel 21 gesteuert
wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, kann die in dem Tank 2 enthaltene
Wassermenge reguliert und dadurch die Auftriebskraft des Fahrzeugs
gesteuert werden. Da dieses Merkmal mit der Winkelsteuerung der
schwingenden Flügel
kombiniert ist, kann die Unterwasserposition des Fahrzeugs frei
eingestellt werden.
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Die
schwingenden Flügel 21 werden
durch die in der 4 gezeigte
Flügelsteuerung
(WC) 28 gesteuert. Die Flügelsteuerung (WC) 28 bestimmt
einen Zylinderhub und liefert Daten davon an den zweiten Aktuator 23.
Zusätzlich
legt die Flü gelsteuerung (WC) 28 einen
Flügelwinkel
fest und liefert Daten davon an den ersten Aktuator 23.
Die Auftriebskraftsteuerung, die auf dem Tank 27 basiert
(die Schwimmblase), gleicht der der ersten Ausführungsform.
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Es
ist möglich,
die 6-Achsen-Bewegung einschließlich
der Rotation der schwingenden Flügel
zu steuern. Damit in Zusammenhang stehend wird das Verfahren zur
Steuerung des Hubs und des Winkels nachstehend mit Bezug auf die 3 beschrieben.
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- (D1) Messung des veränderlichen Bereichs der schwingenden
Flügel
(Vorbereitungen)
(D1–1)
Das Unterwasserfahrzeug 22 ist innerhalb eines Wassertanks
befestigt und ein Sensor wird an den Hauptkörper 220 des Fahrzeugs 22 derart
angebracht, um die auf den Verbindungspunkt zwischen dem Unterwasserfahrzeug 22 und
den schwingenden Flügeln 21 ausgeübte Kraft
zu messen. Die Messung der Kraft erfolgt in vertikaler Richtung,
in Richtung der Breite des Fahrzeugs und in Längsrichtung des Fahrzeugs.
(D1–2) Der
Hubbereich des ersten Aktuators 24 (der für die Steuerung
des Schwingwinkels verwendet wird) und der Winkel des zweiten Aktuators 23 (der für die Steuerung
des Flügelwinkels
verwendet wird) werden festgelegt und die Kraft, die auf den Verbindungspunkt
zwischen dem Unterwasserfahrzeug 22 und dem schwingenden
Flügel 21 während einer Schwingbewegung
ausgeübt
wird, wird gemessen.
(D 1–3)
Die vorstehend in (D 1-2) angeführte
Messung wird wiederholt und der Wertebereich der Kraft, der in vertikaler
Richtung, in Richtung der Breite des Fahrzeugs und in Längsrichtung
des Fahrzeugs ausgeübt
werden kann, wird im Verhältnis
zu dem Hubbereich und dem Flügelwinkel überprüft. Die
dadurch erhaltenen Daten werden beschrieben, um eine Datenbank zu
bilden.
(D1–4)
Aus den Daten der in (D1–3)
genannten Datenbank werden die Daten über die Hubbereiche entsprechend
den Fällen
extrahiert, bei denen Hin- und Herbewegungen (schwingende Bewegung)
möglich sind.
Die extrahierten Daten werden kombiniert, um die durch die schwingenden
Flügel 21 erzeugte
Kraft und die relativen Schwingmuster zu überprüfen.
(D1–5) Verhältnisse,
festgelegt zwischen der Schwingungsgeschwindigkeit der Flügel und
der auf den Verbindungspunkt ausgeübten Kraft, werden berechnet.
- (D2) Steuerung der schwingenden Flügel:
(D2–1) Die
Flügelsteuerung
(WC) 28 verteilt die Kraft entsprechend der Betätigungskraft,
die dem Unterwasserfahrzeug 22 zugeführt wird (d. h., die Kraft,
die auf das Unterwasserfahrzeug ausgeübt wird, und das Moment), auf
den rechten und linken, schwingenden Flügel 21. Diese Verteilung
wird in dem nichtlinearen Programmierungsverfahren innerhalb des durch
die Richtung und Größenordnung
der Antriebskraft, die von dem Unterwasserfahrzeug erzeugt wird,
festgelegten Bereichs durchgeführt.
(D2–2) Die
Schwingungsmuster, die die Erzeugung der auf jeden schwingenden
Flügel
in (D2–1)
genannten verteilten Kraft ermöglichen,
werden auf der Basis der in (D1) vorgenannten vorbereiteten Daten festgelegt.
(D2–3) Die
vorstehend in (D2–2)
festgelegten Schwingungsmuster werden jedes Mal aktualisiert, wenn
eine Schwingbewegung durchgeführt
wird, um so den ersten Aktuator 24 (der zur Steuerung des Schwingwinkels
verwendet wird) und den Winkel des zweiten Aktuators 23 (der
zur Steuerung des Flügelwinkels
verwendet wird) zu steuern.
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Durch
die Kombination dieses Steuerungsverfahrens mit der Auftriebskraftsteuerung
ist es möglich,
die 6-Achsen-Bewegung (einschl. Rotation) zu steuern.
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Wie
aus den vorstehend detaillierten Beschreibungen ersichtlich ist,
bietet die vorliegende Erfindung die nachstehend aufgelisteten Vorteile.
- 1. Die rotierenden Wellen des Unterwasserfahrzeugs
sind für
eine horizontale Streckung angeordnet und daher können die
Flügel
betrieben werden, als ob sie Ruder eines U-Bootes sind, oder sich
bewegen, als ob sie Brustflossen eines Fisches wären. Demzufolge ist die Periskoptiefenreichweite
oder die Unterwasserposition des Fahrzeugs variierbar.
- 2. In dem Fall, wenn das Unterwasserfahrzeug mit einem Tank
ausgestattet ist, in den bzw. aus dem Wasser eingefüllt oder
abgelassen werden kann, funktioniert der Tank so, als ob er die
Schwimmblase eines Fisches wäre.
Mit anderen Worten, der Tank dient dazu, die Auftriebskraft des
Fahrzeugs zu steuern. Daher kann das Absinken und das Fluten des
Fahrzeugs (d. h. die Unterwasserposition des Fahrzeugs) gleichmäßig gesteuert werden.
- 3. Das Unterwasserfahrzeug kann mit ersten Aktuatoren zur Oszillation
oder Schwingung der rechten und linken Flügel und zweiten Aktuatoren zur
Steuerung des Flügelwinkels
der schwingenden Flügel
ausgestattet sein. Wenn derartige Aktuatoren vorgesehen sind, arbeiten
die rechten und linken schwingenden Flügel so, als ob sie Brustflossen
eines Fisches wären,
und das Unterwasserfahrzeug kann vorwärts oder rückwärts bewegt und gesteuert werden.
Zusätzlich
können die
schwingenden Flügel 21 als
Ruder verwendet werden, indem der Winkel der Flügel 21 gesteuert wird.