基本信息
- 項目名稱：
- 組合仿生UUV
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品設計制作了仿生UUV模型。模型突破生物的生理局限，采用雙尾鰭推進方式，不僅有效抑制了常規(guī)尾鰭推進所帶來的本體晃動問題，改進了潛航器巡游的穩(wěn)定性，而且顯著提高了推進速度；此外，借鑒飛行動物拍翼的機動靈活之所長，為潛航器研制增設了強化功能的兩自由度胸鰭機構，實現(xiàn)了高機動性。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。
- 詳細介紹：
- 本作品設計制作了仿生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方式，不僅有效抑制了常規(guī)尾鰭推進所帶來的本體晃動問題，改進了潛航器巡游的穩(wěn)定性，而且顯著提高了推進速度，模型巡游速度達到1.3身長每秒；此外，借鑒飛行動物拍翼的機動靈活之所長，為潛航器研制增設了強化功能的兩自由度胸鰭機構。該胸鰭模擬昆蟲飛行的撲翼運動，能夠在豎直平面內產生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、急轉等機動動作，證明了了模型的高機動性。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
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品基本思路與創(chuàng)新點： 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方式使得仿魚潛航器在上浮、下潛乃至倒退的機動能力受到限制；而對昆蟲類飛行動物來說，其撲翼的推進方式使機動性較之魚類更為靈活。本作品結合兩種推進方式的優(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)變向機動。 依靠單個尾鰭擺動推進的潛航器本體會隨著尾鰭的擺動而晃動，導致其運動穩(wěn)定性很差，推進力也因此降低。本作品設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。 胸鰭的設計借鑒昆蟲的撲翼，并根據實際需要將三自由度撲翼簡化為的兩自由度的運動，分別為揮拍和旋轉，兩種運動組合可以在平面內產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，取長補短，合理設計，進而實現(xiàn)“源于自然，超越自然”的目標。 技術關鍵與主要技術指標： 得益于雙尾鰭的創(chuàng)新設計，模型本體幾乎沒有任何擺動，推進速度也令人滿意，達到了0.5m/s。若使用推進速度與體長之比（BL/s）衡量推進效率，本作品已達1.3BL/s，屬于仿生魚推進中的佼佼者。 機動性方面，本作品不僅能夠完成常規(guī)的轉向和上浮下潛，還能夠實現(xiàn)滾轉、后退以及原地轉艏等高難度動作。
科學性、先進性
- 本作品從設計理念上區(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，這種組合仿生推進方式具有相當的可行性和發(fā)展前景。 雙尾鰭的設計在理論上可以完全消除尾鰭擺動產生的橫向作用力，保證潛航器本體的穩(wěn)定性。從試航的結果來看，雙尾鰭推進模式達到了預期的效果。僅使用尾鰭推進時，雙尾擺動相位差設置為180度，模型本體幾乎沒有任何擺動，推進速度與體長之比達到領先水平。 在機動性方面，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狀態(tài)實現(xiàn)任意方向的機動動作，幫助潛航器高效的完成更多機動動作。 與已有的仿魚類航行器相比，本作品具有上浮、下潛、后退機動等推力矢量優(yōu)點。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，加強了推進能力。
獲獎情況及鑒定結果
- 本作品曾在中國海洋學會軍事海洋學專業(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”合鍛集團安徽省大學生課外學術科技作品競賽獲得特等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 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,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 特點和優(yōu)勢： 本作品突破生物的生理局限，采用雙尾鰭推進方式，不僅有效抑制了常規(guī)尾鰭推進所帶來的晃動問題，改進了潛航器巡游的穩(wěn)定性，而且顯著提高了推進速度；此外，借鑒飛行動物拍翼的機動靈活之所長，為潛航器研制增設了強化功能的兩自由度胸鰭機構，實現(xiàn)了高機動性。 應用前景： 本作品使用的雙尾鰭推進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方式。另一方面，盡管兩自由度胸鰭在巡航推力方面貢獻尚不明顯，但其在機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，加之其出色的機動能力，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的UUV相媲美，機動性方面則遠勝于傳統(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器，這些常規(guī)推進方式明顯存在推進效率低、定位困難、轉彎缺乏靈活性和懸停不精確等缺點。在新一代水下作戰(zhàn)平臺中，仿生潛航器以其效率高、機動性強、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、欺騙性和經濟性，因而特別適合軍事應用。 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器金槍魚——“Robo Tuna”，證明了仿生機器魚推進效率比現(xiàn)有UUV推進效率更高。1995年，MIT又誕生了機器魚“Pike”，證明仿生魚具有良好的靜態(tài)轉向和加速能力。1996年日本研制的仿黑色鱸魚機器魚，證明胸鰭推進的高機動性。2000年MIT在發(fā)表的本領域權威性綜述指出，仿魚類推進技術開始進入工程應用研究階段（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、機器水母、機器鰩魚等。但是，與自然界的游動、飛行生物相比，即便是當今最先進的仿生航行器也遠未達到完美的程度。
