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基本信息
- 項目名稱：
- 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，借鑒飛行動物拍翼的機(jī)動靈活之所長，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)，實現(xiàn)了高機(jī)動性。該模型的研制成功不僅驗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)計制作了仿生UUV模型。由于采用單自由度擺動尾鰭的潛航器易產(chǎn)生搖艏問題，本作品突破生物的生理局限，采用雙尾鰭對稱擺動的推進(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，借鑒飛行動物拍翼的機(jī)動靈活之所長，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，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現(xiàn)了上浮下潛、制動、后退、滾轉(zhuǎn)、急轉(zhuǎn)等機(jī)動動作，證明了了模型的高機(jī)動性。該模型的研制成功不僅驗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、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稱拍動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)動能力受到限制；而對昆蟲類飛行動物來說，其撲翼的推進(jìn)方式使機(jī)動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，采用魚類尾鰭拍動方式獲得巡航推力，采用拍翼方式實現(xiàn)變向機(jī)動。 依靠單個尾鰭擺動推進(jìn)的潛航器本體會隨著尾鰭的擺動而晃動，導(dǎo)致其運(yùn)動穩(wěn)定性很差，推進(jìn)力也因此降低。本作品設(shè)計將兩個相同的尾鰭左右并排安置，巡游時雙尾鰭對稱擺動（相位差為180度）以抵消橫向作用力。 胸鰭的設(shè)計借鑒昆蟲的撲翼，并根據(jù)實際需要將三自由度撲翼簡化為的兩自由度的運(yùn)動，分別為揮拍和旋轉(zhuǎn)，兩種運(yùn)動組合可以在平面內(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”某種水下動物，吸收各類飛行與游動動物的精華，取長補(bǔ)短，合理設(shè)計，進(jìn)而實現(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，模型本體幾乎沒有任何擺動，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)艏等高難度動作。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品從設(shè)計理念上區(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)計在理論上可以完全消除尾鰭擺動產(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，雙尾擺動相位差設(shè)置為180度，模型本體幾乎沒有任何擺動，推進(jìn)速度與體長之比達(dá)到領(lǐng)先水平。 在機(jī)動性方面，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。推力矢量的實現(xiàn)，使得模型能夠從靜止?fàn)顟B(tài)實現(xiàn)任意方向的機(jī)動動作，幫助潛航器高效的完成更多機(jī)動動作。 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的問題，加強(qiáng)了推進(jìn)能力。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品曾在中國海洋學(xué)會軍事海洋學(xué)專業(yè)委員會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
作品所處階段
- 實驗室階段
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，借鑒飛行動物拍翼的機(jī)動靈活之所長，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)，實現(xiàn)了高機(jī)動性。 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)動性方面的作用明顯優(yōu)于傳統(tǒng)艏水平舵，對于追求高機(jī)動性的小型UUV是個很好的選擇。 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物群中，欺騙性強(qiáng)，加之其出色的機(jī)動能力，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，對無人潛航器本身的航行能力、機(jī)動性、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)平臺中，仿生潛航器以其效率高、機(jī)動性強(qiáng)、噪聲低和藏身于水生動物群中等優(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、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。
