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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 組合仿生UUV
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品設(shè)計(jì)制作了仿生UUV模型。模型突破生物的生理局限，采用雙尾鰭推進(jìn)方式，不僅有效抑制了常規(guī)尾鰭推進(jìn)所帶來的本體晃動(dòng)問題，改進(jìn)了潛航器巡游的穩(wěn)定性，而且顯著提高了推進(jìn)速度；此外，借鑒飛行動(dòng)物拍翼的機(jī)動(dòng)靈活之所長，為潛航器研制增設(shè)了強(qiáng)化功能的兩自由度胸鰭機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高機(jī)動(dòng)性。該模型的研制成功不僅驗(yàn)證了組合仿生概念的可行性，還初步揭示了其優(yōu)勢，為仿生UUV提供了一條新的發(fā)展思路。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品設(shè)計(jì)制作了仿生UUV模型。由于采用單自由度擺動(dòng)尾鰭的潛航器易產(chǎn)生搖艏問題，本作品突破生物的生理局限，采用雙尾鰭對(duì)稱擺動(dòng)的推進(jìn)方式，不僅有效抑制了常規(guī)尾鰭推進(jìn)所帶來的本體晃動(dòng)問題，改進(jìn)了潛航器巡游的穩(wěn)定性，而且顯著提高了推進(jìn)速度，模型巡游速度達(dá)到1.3身長每秒；此外，借鑒飛行動(dòng)物拍翼的機(jī)動(dòng)靈活之所長，為潛航器研制增設(shè)了強(qiáng)化功能的兩自由度胸鰭機(jī)構(gòu)。該胸鰭模擬昆蟲飛行的撲翼運(yùn)動(dòng)，能夠在豎直平面內(nèi)產(chǎn)生360度的推力矢量。試航中通過胸尾鰭的配合實(shí)現(xiàn)了上浮下潛、制動(dòng)、后退、滾轉(zhuǎn)、急轉(zhuǎn)等機(jī)動(dòng)動(dòng)作，證明了了模型的高機(jī)動(dòng)性。該模型的研制成功不僅驗(yàn)證了組合仿生概念的可行性，還初步揭示了其優(yōu)勢，為仿生UUV提供了一條新的發(fā)展思路。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品基本思路與創(chuàng)新點(diǎn)： 魚類主要依靠其尾鰭的對(duì)稱拍動(dòng)獲得向前的高效巡游推力但這種推進(jìn)方式使得仿魚潛航器在上浮、下潛乃至倒退的機(jī)動(dòng)能力受到限制；而對(duì)昆蟲類飛行動(dòng)物來說，其撲翼的推進(jìn)方式使機(jī)動(dòng)性較之魚類更為靈活。本作品結(jié)合兩種推進(jìn)方式的優(yōu)勢，采用魚類尾鰭拍動(dòng)方式獲得巡航推力，采用拍翼方式實(shí)現(xiàn)變向機(jī)動(dòng)。 依靠單個(gè)尾鰭擺動(dòng)推進(jìn)的潛航器本體會(huì)隨著尾鰭的擺動(dòng)而晃動(dòng)，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性很差，推進(jìn)力也因此降低。本作品設(shè)計(jì)將兩個(gè)相同的尾鰭左右并排安置，巡游時(shí)雙尾鰭對(duì)稱擺動(dòng)（相位差為180度）以抵消橫向作用力。 胸鰭的設(shè)計(jì)借鑒昆蟲的撲翼，并根據(jù)實(shí)際需要將三自由度撲翼簡化為的兩自由度的運(yùn)動(dòng)，分別為揮拍和旋轉(zhuǎn)，兩種運(yùn)動(dòng)組合可以在平面內(nèi)產(chǎn)生任意方向的推力矢量。 作品目的與意義： 摒棄現(xiàn)有水下潛航器單一地“仿”某種水下動(dòng)物，吸收各類飛行與游動(dòng)動(dòng)物的精華，取長補(bǔ)短，合理設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“源于自然，超越自然”的目標(biāo)。 技術(shù)關(guān)鍵與主要技術(shù)指標(biāo)： 得益于雙尾鰭的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，模型本體幾乎沒有任何擺動(dòng)，推進(jìn)速度也令人滿意，達(dá)到了0.5m/s。若使用推進(jìn)速度與體長之比（BL/s）衡量推進(jìn)效率，本作品已達(dá)1.3BL/s，屬于仿生魚推進(jìn)中的佼佼者。 機(jī)動(dòng)性方面，本作品不僅能夠完成常規(guī)的轉(zhuǎn)向和上浮下潛，還能夠?qū)崿F(xiàn)滾轉(zhuǎn)、后退以及原地轉(zhuǎn)艏等高難度動(dòng)作。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品從設(shè)計(jì)理念上區(qū)別于現(xiàn)有仿生潛航器。本作品提出組合仿生的概念，突破生物的生理局限，使得“源于自然，超越自然”成為可能，為仿生UUV的發(fā)展提供新的方向。通過本作品的驗(yàn)證，這種組合仿生推進(jìn)方式具有相當(dāng)?shù)目尚行院桶l(fā)展前景。 雙尾鰭的設(shè)計(jì)在理論上可以完全消除尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生的橫向作用力，保證潛航器本體的穩(wěn)定性。從試航的結(jié)果來看，雙尾鰭推進(jìn)模式達(dá)到了預(yù)期的效果。僅使用尾鰭推進(jìn)時(shí)，雙尾擺動(dòng)相位差設(shè)置為180度，模型本體幾乎沒有任何擺動(dòng)，推進(jìn)速度與體長之比達(dá)到領(lǐng)先水平。 在機(jī)動(dòng)性方面，本作品的兩自由度胸鰭較之傳統(tǒng)單自由度艏水平舵體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。推力矢量的實(shí)現(xiàn)，使得模型能夠從靜止?fàn)顟B(tài)實(shí)現(xiàn)任意方向的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，幫助潛航器高效的完成更多機(jī)動(dòng)動(dòng)作。 與已有的仿魚類航行器相比，本作品具有上浮、下潛、后退機(jī)動(dòng)等推力矢量優(yōu)點(diǎn)。另外，通過雙尾鰭的巧妙組合，有效解決了航行器本體晃動(dòng)的問題，加強(qiáng)了推進(jìn)能力。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品曾在中國海洋學(xué)會(huì)軍事海洋學(xué)專業(yè)委員會(huì)舉辦的第五屆軍事海洋戰(zhàn)略與發(fā)展論壇上進(jìn)行展示，并獲得優(yōu)秀論文（2008年11月，廣州） 本作品在第三屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛集團(tuán)安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽獲得特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 模型現(xiàn)場演示；圖片；錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 特點(diǎn)和優(yōu)勢： 本作品突破生物的生理局限，采用雙尾鰭推進(jìn)方式，不僅有效抑制了常規(guī)尾鰭推進(jìn)所帶來的晃動(dòng)問題，改進(jìn)了潛航器巡游的穩(wěn)定性，而且顯著提高了推進(jìn)速度；此外，借鑒飛行動(dòng)物拍翼的機(jī)動(dòng)靈活之所長，為潛航器研制增設(shè)了強(qiáng)化功能的兩自由度胸鰭機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高機(jī)動(dòng)性。 應(yīng)用前景： 本作品使用的雙尾鰭推進(jìn)方式目前尚處于探索階段，但相信隨著研究的深入，其很可能成為一種新型的推進(jìn)方式。另一方面，盡管兩自由度胸鰭在巡航推力方面貢獻(xiàn)尚不明顯，但其在機(jī)動(dòng)性方面的作用明顯優(yōu)于傳統(tǒng)艏水平舵，對(duì)于追求高機(jī)動(dòng)性的小型UUV是個(gè)很好的選擇。 本文制作的潛航器體長僅為0.38m，探索了仿生潛航器的小型化。小型仿生潛航器能夠藏身于水生動(dòng)物群中，欺騙性強(qiáng)，加之其出色的機(jī)動(dòng)能力，只要解決續(xù)航能力的問題，便可以輕易突破各種障礙。另一個(gè)發(fā)展方向是將本潛航器大型化。憑借其1.3BL/s的高推進(jìn)效率，在5米體長時(shí)即可獲得10節(jié)左右的航速，速度方面足以與螺旋槳推進(jìn)的UUV相媲美，機(jī)動(dòng)性方面則遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)UUV。
同類課題研究水平概述
- 近年來，無人水下航行器（UUV — Unmanned Underwater Vehicle）作為一種新興的作戰(zhàn)力量正在受到各軍事大國的高度重視。2005年1月,美海軍制定出新的UUV發(fā)展規(guī)劃，對(duì)無人潛航器本身的航行能力、機(jī)動(dòng)性、隱身性等提出了更高的要求。然而，現(xiàn)有UUV普遍采用的是螺旋槳為主的推進(jìn)器，這些常規(guī)推進(jìn)方式明顯存在推進(jìn)效率低、定位困難、轉(zhuǎn)彎缺乏靈活性和懸停不精確等缺點(diǎn)。在新一代水下作戰(zhàn)平臺(tái)中，仿生潛航器以其效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、噪聲低和藏身于水生動(dòng)物群中等優(yōu)勢，比常規(guī)海戰(zhàn)武器更加富有突防性、隱蔽性、欺騙性和經(jīng)濟(jì)性，因而特別適合軍事應(yīng)用。 1994年，MIT通過對(duì)金槍魚的長期研究，成功研制出世界第一條仿生機(jī)器金槍魚——“Robo Tuna”，證明了仿生機(jī)器魚推進(jìn)效率比現(xiàn)有UUV推進(jìn)效率更高。1995年，MIT又誕生了機(jī)器魚“Pike”，證明仿生魚具有良好的靜態(tài)轉(zhuǎn)向和加速能力。1996年日本研制的仿黑色鱸魚機(jī)器魚，證明胸鰭推進(jìn)的高機(jī)動(dòng)性。2000年MIT在發(fā)表的本領(lǐng)域權(quán)威性綜述指出，仿魚類推進(jìn)技術(shù)開始進(jìn)入工程應(yīng)用研究階段（美國、英國、日本等）。近年來，又出現(xiàn)了很多非仿魚的仿生UUV，如MIT的RoboTurtle、機(jī)器水母、機(jī)器鰩魚等。但是，與自然界的游動(dòng)、飛行生物相比，即便是當(dāng)今最先進(jìn)的仿生航行器也遠(yuǎn)未達(dá)到完美的程度。
