一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器及其控制方法。

背景技术

水下自主航行器属于新型水下无人平台，具有自主性、隐蔽性、环境适应性、可部署性等优点。21世纪以来，水下自主航行器发展迅速，在民用、军用和商用等领域被广泛应用。民用领域在海底勘探、水下救援、海底打捞、海洋科考等发挥着越来越重要的作用，军用领域可用于水下执行潜艇战和反潜战、反水雷战、海洋侦察和监视、情报搜集、信息通信、目标攻击等，极大拓展了水面和水下作战系统的作战空间，是当今世界国家重点发展的水下作战装备。

水下自主航行器是海洋科技中的重要组成部分，在军事、民事上均有广泛应用。传统采用螺旋桨进行推进，具有安装方便、控制简单，易于更换维护等优点。但其效率低、噪声大、转向机动性差以及易出故障等实际问题也不容忽视。与此同时，水下生物经过数亿年的演化，进化出各种适应于水中运动的能力；通过模仿自然界水下生物的推进机理，能有效提高水下航行器的效率和机动性，以及减少噪声和对海洋生物造成伤害等问题。

目前的仿生航行器多采用刚性扑翼，不能自动实现航行器扑翼的被动弯曲变形，而真实蝠鲼生物扑翼在扑动时具有主被动变形，主动变形是指蝠鲼因克服流体阻力自身产生的胸鳍变形，被动变形是指蝠鲼在水中发生的不可控变形，因而导致现有的仿生航行器与真实生物的扑动运动并不相像。

至此，现有技术提出拉线结构调节法以实现仿生水下自主航行器的扑翼弯曲变形，通过张拉结构可实现航行器上拍与下拍的扑翼被动弯曲变形，然而，大型航行器的张拉结构多采用合金，通常会使用多组拉线轮组，这大大增加了电机的负载，而且拉线轮组长期暴露于海水中，氧化或压力变形会影响航行器的机动性，对于大型仿生水下航行器一般用于大深度水下科考、科研工作，然而目前现有的航行器对水下压力、胸鳍在作业深度的变形的计算多依赖于仿真计算，但水下洋流环境复杂且多变，仿真计算只能得到理论数据并不能实时采集得到水下作业深度的压力值、胸鳍的变形程度以及流场环境，在洋流环境多变且不可监测的环境中进行试验，流场突变可能会给航行器带来不可修复的损坏。

因此，需要提供一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器及其控制方法以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器及其控制方法，采用鳍射线效应，即自然界中鱼类鱼鳍受力时会朝着受力反方向形变的现象，当向上拍动时，鱼类胸鳍会在接近上拍顶点处向头顶弯折；当向下拍动时，鱼类胸鳍则会在接近下拍最低点处弯折，然后，结合光纤传感器，将胸鳍受到的流体的压力能转换为电能，来获取胸鳍表面流场压力分布、水中流场涡系和胸鳍弯曲变形程度的信息，在结合仿蝠鲼潜水器自身的航行姿态，从而有效提高潜水器对周围流场信息与自身运动模态的感知和判断能力，以解决现有的多组拉线轮组，大大增加了电机的负载，而且拉线轮组长期暴露于海水中，氧化或压力变形会影响航行器的机动性的问题。

本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器采用如下技术方案：包括：

鱼体固定板；

仿生蝠鲼的胸鳍结构，其根部与鱼体固定板连接，其包括柔弹性支撑框架以及硅胶蒙皮；所述柔弹性支撑框架的梢部铰接有梢部鳍板，所述硅胶蒙皮蒙设于所述柔弹性支撑框架与梢部鳍板的表面；

检测模块，设置在硅胶蒙皮内，用于感知胸鳍结构在水中的流场信息；

驱动结构，其设置在鱼体固定板上，用于驱动胸鳍结构绕其长度方向转动，以及驱动胸鳍结构在其上下方向扑动。

以及控制模块，用于根据检测模块感知的流场信息，控制驱动结构的扑动参数以调整航行器的运动状态。

优选的，所述柔弹性支撑框架包括：

多个鳍板，沿胸鳍结构的长度方向间隔设置，且沿胸鳍结构的根部至梢部方向多个鳍板的尺寸等比缩小，其中，鳍板的结构为类椭圆形板；

两个鳍板支撑板，其设置在鳍板的两侧，且其与鳍板的外弧面转动连接；

以及两个端部支撑肋板，设置在两个鳍板支撑板的端部之间，且其端部与鳍板支撑板的端部铰接，其中，靠近鱼体固定板一侧的端部支撑肋板通过鳍板支撑板与鱼体固定板连接。

优选的，两个所述鳍板支撑板和两个所述端部支撑肋板连接围成梯形结构，其中，梯形结构的下底面朝向鱼体固定板。

优选的，所述鳍板的外弧面上开设有凹槽，所述鳍板支撑板安装在凹槽内，且鳍板支撑板的端面和对应的槽壁之间转动连接。

优选的，驱动结构包括：第一驱动组件和第二驱动组件；

第一驱动组件安装在鱼体固定板上，其输出端连接有电机固定板，用于驱动电机固定板转动；

第二驱动组件包括扑动电机，扑动电机安装在电机固定板上，其输出端连接有垂直于其输出端的传动轴，所述传动轴穿设在胸鳍结构根部一侧的鳍板上开设的安装孔内，且传动轴能在安装孔内滑动。

优选的，第一驱动组件包括：

扭转电机，其通过扭转电机支撑架固定在鱼体固定板上；

以及转轴，通过转轴支撑架架设在鱼体固定板上，且其与扭转电机的输出轴垂直，其中，转轴与扭转电机通过齿轮传动连接，转轴的端部穿过转轴支撑架与电机固定板连接。

优选的，所述检测模块包括多个光纤传感器，多个光纤传感器均布分布在胸鳍结构的硅胶蒙皮外表面。

优选的，扑动参数包括扑动电机的频率、振幅以及相位。

优选的，流场信息包括压力和水流扰动。

一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器的控制方法，在检测到胸鳍结构受到的压力不断减小时，则控制航行器的扑动电机增大频率、减小振幅以及减小相位，直至压力不在减小；在检测到胸鳍结构受到的压力不断增大时，则控制航行器的扑动电机减小频率、增大振幅以及增大相位，直至压力不在变化；在检测到胸鳍结构受到的水流扰动增大时，则控制扑动电机增大频率、减小振幅与减小相位，直至水流扰动不在变化。

本发明的有益效果是：

通过设置胸鳍结构，即胸鳍结构包括柔弹性支撑框架以及硅胶蒙皮；柔弹性支撑框架的梢部铰接有梢部鳍板，硅胶蒙皮蒙设于柔弹性支撑框架与梢部鳍板的表面；然后，通过驱动结构驱动胸鳍结构绕其长度方向转动，以及驱动胸鳍结构在其上下方向扑动，从而模拟自然界中鱼类鱼鳍受力时会朝着受力反方向形变的现象，当向上拍动时，鱼类胸鳍会在接近上拍顶点处向头顶弯折；当向下拍动时，鱼类胸鳍则会在接近下拍最低点处弯折，从而使得检测模块精确检测胸鳍结构在水中的流场信息，通过流场信息来实时反映胸鳍结构在水中的受力和水流扰动情况，并以此精确判断航行器是处于上浮、下潜还是在水流扰动大的航向态，从而根据航行状态精确控制扑动电机的电机参数，以实现航行器的航行状态的精确调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器的实施例的总体结构示意图；

图2为本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器的俯视图；

图3为本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器的主视图；

图4为本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器的柔弹性支撑框架的受力状态图；

图5为本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器中的驱动结构及鱼体固定板的结构示意图；

图6为本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器中硅胶蒙皮和光纤传感器的结构示意图；

图中：1、鱼体固定板；2、扭转电机；3、转轴支撑架；4、扑动电机；5、电机固定板；6、立板；7、传动轴；8、第一鳍板；9、第二鳍板；10、第三鳍板；11、第四鳍板；12、梢部鳍板、13、梢部支撑肋板；14、鳍板支撑板；15、光纤传感器；16、硅胶蒙皮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器，如图1所示，包括：鱼体固定板1、仿生蝠鲼的胸鳍结构、检测模块、驱动结构以及控制模块，其中，仿生蝠鲼的胸鳍结构的根部与鱼体固定板1连接，具体的，仿生蝠鲼的胸鳍结构包括柔弹性支撑框架以及硅胶蒙皮16；柔弹性支撑框架的梢部铰接有梢部鳍板12，硅胶蒙皮16蒙设于柔弹性支撑框架13与梢部鳍板12的表面，即可形成整个胸鳍整体，本实施例的胸鳍外形采用NACA00系列翼型的扑翼外形，检测模块设置在硅胶蒙皮16外，用于感知胸鳍结构在水中的流场信息；驱动结构设置在鱼体固定板1上，用于驱动胸鳍结构绕其长度方向转动，以及驱动胸鳍结构在其上下方向扑动；控制模块用于根据检测模块感知的流场信息，控制驱动结构的扑动参数以调整航行器的运动状态。

其中，柔弹性支撑框架13包括：多个鳍板、两个鳍板支撑板14以及两个端部支撑肋板，具体的，本实施例的包括四个鳍板，四个鳍板沿胸鳍结构的长度方向等距间隔设置，且沿胸鳍结构的根部至梢部方向的四个鳍板的尺寸等比缩小，其中，鳍板的结构为类椭圆形板；具体的，如图1和图2所示，四个鳍板沿胸鳍结构的长度方向依次为第一鳍板8、第二鳍板9、第三鳍板10以及第四鳍板11；两个鳍板支撑板14设置在鳍板的两侧，且鳍板支撑板14与每个鳍板的外弧面转动连接；两个端部支撑肋板设置在两个鳍板支撑板14的端部之间，且其端部与鳍板支撑板14的端部铰接，其中，靠近鱼体固定板1一侧的端部支撑肋板通过鳍板支撑板14与鱼体固定板1连接。

其中，两个鳍板支撑板和两个端部支撑肋板连接围成梯形结构，其中，梯形结构的下底面朝向鱼体固定板1；其中，鳍板的外弧面上开设有凹槽，鳍板支撑板安装在凹槽内，且鳍板支撑板的端面和对应的槽壁之间转动连接，两块鳍板支撑板用于调整鳍板的有序运动并实现外形保形。

具体的，驱动结构包括：第一驱动组件和第二驱动组件；第一驱动组件安装在鱼体固定板1上，其输出端连接有电机固定板5，用于驱动电机固定板5转动；第二驱动组件安装在电机固定板5上，第二驱动组件采用扑动电机4，扑动电机4的输出端连接有垂直于其输出端的传动轴7，传动轴7穿设在胸鳍结构根部一侧的鳍板上开设的安装孔内，且传动轴7能在安装孔内滑动。

具体的，第一驱动组件包括：扭转电机2以及转轴17，扭转电机2通过扭转电机支撑架固定在鱼体固定板1上；转轴17通过转轴支撑架3架设在鱼体固定板1上，且转轴17与扭转电机2的输出轴垂直，其中，转轴17与扭转电机2通过齿轮传动连接，转轴17的端部穿过转轴支撑架3与电机固定板5连接。

具体的，检测模块包括多个光纤传感器15，多个光纤传感器15均布设置在胸鳍结构硅的胶蒙皮16外表面，通过光纤传感器13超高精度的压电特性可以将流体的压力能转换为电能，实现水下毫帕级高灵敏快速监测，获取胸鳍结构表面流场压力分布、水中流场涡系和胸鳍结构弯曲变形程度。

具体的，扑动参数包括扑动电机4的频率、振幅以及相位，具体的，因为扑动电机4内部内置电控单元至于频率，振幅、相位是电控系统中根据逻辑和定义写好的程序，频率是拍动的快慢，振幅是胸鳍结构上下拍动的幅度，相位是胸鳍结构弦向拍动的波形变化。

本发明还公开一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器的控制方法，在检测到胸鳍结构的受到的压力不断减小时，则控制航行器的扑动电机4增大频率、减小振幅以及减小相位，直至压力不在减小；在检测到胸鳍结构受到的压力不断增大时，则控制航行器的扑动电机4减小频率、增大振幅以及增大相位，直至压力不在变化；在检测到胸鳍结构受到的水流扰动增大时，则控制扑动电机4增大频率、减小振幅与减小相位，直至水流扰动不在变化。具体的，当航行器进行水下作业时，通过外部控制系统进行扑动电机4的扑动频率、扑动振幅、扑动相位的实时调节，频率是拍动的快慢，振幅是胸鳍结构上下拍动的幅度，相位是胸鳍结构弦向拍动的波形变化，统称为仿生水下航行器胸鳍结构的运动参数，三者耦合实现对整个仿生水下航行器的运动控制，根据目前已有的大型航行器实验测试，低频大振幅、高相位下水下航行器的水动力性能更好，更易产生沿前进方向的推力和较小升力，随着仿生航行器在水中作业深度的增加，施加于仿生胸鳍结构上的水压逐渐增加，航行器的水动力性能受到抑制，硅胶蒙皮16上的光纤传感器15将流体的压力能转换为电能传回控制系统，控制系统接收到压力数据反馈后，通过控制扑动电机4的电控单元以控制扑动电机4降低频率、增大振幅与增大相位的方式实现航行器大深度下的航行器游动同时结合航行器自带的浮力系统的调节实现航行器的下潜；在浮力系统调节水下航行器上浮的过程中，因上浮过程中胸鳍结构受到压力开始减小，大深度下运动参数产生的升力显然不足以使仿生航行器上浮，这时硅胶蒙皮16上的光纤传感器15将流体的压力能转换为电能传回控制系统，控制系统接收到压力数据反馈后，通过控制扑动电机4的电控单元以控制扑动电机4增大频率、减小振幅与减小相位的方式并结合浮力系统质心机构的运动调整航行器上浮，针对环境水流扰动比较大的海域，通过光纤传感器15的压力监控可以控制扑动电机4的电控单元以控制扑动电机4增大频率、减小振幅与减小相位的方式减小向前游动的推力，结合航行器自带的泵喷系统远离该海域。光纤传感器15能实现水下毫帕级高灵敏度实时的快速监测，有效提高航行器对周围流场信息与自身运动模态的感知和判断能力。

需要说明的是，扭转电机2驱动胸鳍结构转动，扑动电机4驱动胸鳍结构扑动，即胸鳍结构运动产生展向波与弦向波，展向波和弦向波耦合使得以本发明的航行器以中央鳍/对鳍推进模式(Median and Paired Fin locomotion，MPF)为推进模式的鱼类的运动更为相似，以符合真实生物的运动规律，同时，在胸鳍结构运动过程中，胸鳍结构上的硅胶蒙皮16受压，硅胶蒙皮16上的光纤传感器15将流体的压力能转换为电能，实现水下毫帕级高灵敏快速监测，以主助于仿生水下航行器在水中运动时获取胸鳍表面流场压力分布、水中流场涡系和胸鳍弯曲变形程度等信息，结合仿生水下航行器自身的航行姿态，从而有效提高航行器对周围流场信息与自身运动模态的感知和判断能力。

如图4所示，将图4顺时针旋转90°时，旋转后的图4中的第一张代表正常状态下的胸鳍结构，第二张代表在胸鳍结构上方受力也可以说在水流环境中蝠鲼生物进行了上拍，F则代表水流产生的向下的阻力，那么胸鳍结构在受了水流向下的阻力后，还会向上弯曲，这与fin-ray效应描述了自然界中鱼类鱼鳍受力时会朝着受力反方向形变的现象，当向上拍动时，鱼类胸鳍会在接近上拍顶点处向头顶弯折；当向下拍动时，鱼类胸鳍则会在接近下拍最低点处弯折的原理是一致的，故本结构也是根据此原理设计的胸鳍结构。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于自感知弯曲变形的仿生水下航行器，通过设置胸鳍结构，即胸鳍结构包括柔弹性支撑框架以及硅胶蒙皮；柔弹性支撑框架的梢部铰接有梢部鳍板，硅胶蒙皮蒙设于柔弹性支撑框架与梢部鳍板的表面；然后，通过驱动结构驱动胸鳍结构绕其长度方向转动，以及驱动胸鳍结构在其上下方向扑动，从而模拟自然界中鱼类鱼鳍受力时会朝着受力反方向形变的现象，当向上拍动时，鱼类胸鳍会在接近上拍顶点处向头顶弯折；当向下拍动时，鱼类胸鳍则会在接近下拍最低点处弯折，从而使得检测模块精确检测胸鳍结构在水中的流场信息，通过流场信息来实时反映胸鳍结构在水中的受力和水流扰动情况，并以此精确判断航行器是处于上浮、下潜还是在水流扰动大的航向态，从而根据航行状态精确控制扑动电机的电机参数，以实现航行器的航行状态的精确调整。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。