1.本发明涉及海岸工程和海洋工程技术领域，尤其是一种双模块多功能仿生水下无人航行器及操作方法。
背景技术：2.目前，为了获得探测、开发海洋资源以及在军事上取得制海权，各式各样的水下无人航行器被研制出用于开展各种活动。在科学和经济领域，它们在海洋科学调查、海底油井作业和电缆铺设与维修、海洋资源勘探、海洋测绘等方面发挥了举足轻重的作用；在军事领域，它们在军事信息侦察、情报搜集、水雷探测以及增加和扩大水下战斗空间方面扮演了越来越重要的角色。传统的水下无人航行器采用两套系统实现推进和操纵，即主要依靠桨(推进系统)和舵 (操纵系统)分别执行。由于螺旋桨工作时机体振动剧烈，噪声较大，使得其隐蔽性能有所降低，不符合水下无人航行器低噪声的发展趋势；同时传统的舵、翼操纵系统在航行器低速或悬停状态下难以实现快速机动，并且很容易出现卡舵等故障。鉴于此，很有必要研发新型仿生无人航行器以实现高效推进和高机动性的目的。
3.自然界中的生物已经进化出了多样的外形和各具特色的运动能力，它们的高推进效率、高机动性、完善的流体性能、低噪声、好的隐身性等，均是现有水下无人航行器所无法比拟的，鱼类更是其中的佼佼者。总体来看，鱼类享有同一个推进和操纵的来源，即忽略鱼鳍的作用，鱼身整体做波浪形摆动，简称行波板运动(或称为：波动运动)。这提供了一种与传统的水下无人航行器截然不同的运动模式。与传统水下无人航行器相比，优点为：(1)推进器与舵统一。精简了机构，节省了成本，同时增大了水下无人航行器有效容积和负荷能力，符合水下无人航行器推进操纵一体化的发展趋势；(2)机动性优良。传统的螺旋桨推进器存在瞬时响应滞后的问题，行波板运动可以降低航行器的回转半径，使得航行器更适合在狭窄、复杂和动态的水下环境中进行监测、搜索、勘探，扩大了应用范围；(3)噪声低、隐蔽性能好。行波板运动时产生的噪声较螺旋桨运行时的噪声低，不易为对方识别，有利于隐身和突防具有重要的军事价值。鉴于此，提出了一种仿生水下无人航行器概念设计方案。
技术实现要素：4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种双模块多功能仿生水下无人航行器及操作方法，从而将水下无人航行器分为任务搭载模块和仿生运动模块，任务搭载模块用于储存ctd传感器、电机、驱动器、重心调节机构等，仿生运动模块用于实现航行器的高效推进和快速机动。多个仿生附体构成了航行器的仿生运动模块，通过合理设计仿生附体的布放位置和运动参数，从而提升能量利用率和推进性能。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种双模块多功能仿生水下无人航行器，包括任务搭载模块和仿生推进模块，
7.所述任务搭载模块的结构为：包括机体总成，所述机体总成从头部至尾部依次分为机体头部结构、机体中部结构和机体尾部结构；
8.所述仿生推进模块的结构为：包括四个仿生附体，分别为一号仿生附体、二号仿生附体、三号仿生附体和四号仿生附体，所述一号仿生附体和二号仿生附体分布在机体中部结构的一侧位置，并间隔分布，所述三号仿生附体和四号仿生附体分布在机体中部结构的另一侧位置，一号仿生附体和三号仿生附体对称设置，二号仿生附体和四号仿生附体对称设置；
9.任务搭载模块和仿生推进模块之间通过连接轴进行连接，仿生推进模块产生的力亦由连接轴传递到机体总成上，从而带动整个航行器运动。
10.其进一步技术方案在于：
11.所述机体头部结构采用椭球体结构。
12.所述机体头部结构的长度小于机体尾部结构的长度。
13.四个仿生附体的结构相同。
14.四个仿生附体独立工作。
15.一种双模块多功能仿生水下无人航行器的操作方法，操作过程如下：
16.当航行器需要直航前进时，四个仿生附体均开展正向行波推进运动，从而带动整个航行器向前运动；
17.当航行器需要倒车时，四个仿生附体均开展反向行波推进运动，从而带动整个航行器向后运动；
18.当航行器需要沿着顺时针方向偏航或者回转时，一号仿生附体和二号仿生附体开展负向行波运动，三号仿生附体和四号仿生附体开展正向行波运动；
19.当航行器需要沿着逆时针方向偏航或者回转时，一号仿生附体和二号仿生附体开展正向行波运动，三号仿生附体和四号仿生附体开展负向行波运动。
20.本发明的有益效果如下：
21.本发明结构紧凑、合理，操作方便，该航行器由两个模块组成，分别为任务搭载模块和仿生运动模块。双模块设计的引入使得水下航行器既满足了传统航行器任务搭载的需求，又使得其具备了仿生推进的功能。与传统仿生机器鱼相比，避免了机体变形引起的搭载困难的弱点；与传统依靠螺旋桨推进的水下航行器相比，具备噪声低、续航力高、航行效率高等优点(公开发表文献显示，螺旋桨的敞水推进效率最大值不超过80％，而本发明航行器数值计算结果表明，其推进效率可达86％)。
22.另一方面，本发明仿生附体可开展两个方向的行波运动，即仿生附体既可以开展正向行波运动(即行波运动方向与前进方向相同)，亦可以开展反向行波运动(即行波运动方向与前进方向相反)。值得注意的是，与现有仿生水下航行器借助仿生附体运动幅值来实现机动的方式不同，本发明中仿生水下航行器则是借助仿生附体之间不同的运动方向来实现快速机动，机动能力较传统水下航行器大幅度提升。具体表现在，回转半径大幅减小，理论上可实现原地回转；回转速度大幅增加，数值模拟结果表明，回转速度可达到4s/圈。
23.本发明即适用于水下作业的无人航行器，也适用于水面状态作业的无人航行器，大大提高了模型的适用范围。
附图说明
24.图1为本发明的结构示意图(箭头表示前进的方向)。
25.图2为本发明的俯视图。
26.其中：1、一号仿生附体；2、二号仿生附体；3、三号仿生附体；4、四号仿生附体；5、连接轴；6、机体总成；601、机体头部结构；602、机体中部结构；603、机体尾部结构。
具体实施方式
27.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
28.如图1和图2所示，本实施例的双模块多功能仿生水下无人航行器，包括任务搭载模块和仿生推进模块，
29.任务搭载模块的结构为：包括机体总成6，机体总成6从头部至尾部依次分为机体头部结构601、机体中部结构602和机体尾部结构603；
30.仿生推进模块的结构为：包括四个仿生附体，分别为一号仿生附体1、二号仿生附体2、三号仿生附体3和四号仿生附体4，一号仿生附体1和二号仿生附体2分布在机体中部结构602的一侧位置，并间隔分布，三号仿生附体3和四号仿生附体4分布在机体中部结构602的另一侧位置，一号仿生附体1和三号仿生附体3对称设置，二号仿生附体2和四号仿生附体4对称设置；
31.任务搭载模块和仿生推进模块之间通过连接轴5进行连接，仿生推进模块产生的力亦由连接轴5传递到机体总成6上，从而带动整个航行器运动。
32.机体头部结构601采用椭球体结构。
33.机体头部结构601的长度小于机体尾部结构603的长度。
34.四个仿生附体的结构相同。
35.四个仿生附体独立工作。
36.本实施例的双模块多功能仿生水下无人航行器的操作方法，操作过程如下：
37.当航行器需要直航前进时，四个仿生附体均开展正向行波推进运动，从而带动整个航行器向前运动；
38.当航行器需要倒车时，四个仿生附体均开展反向行波推进运动，从而带动整个航行器向后运动；
39.当航行器需要沿着顺时针方向偏航或者回转时，一号仿生附体1和二号仿生附体2开展负向行波运动，三号仿生附体3和四号仿生附体4开展正向行波运动；
40.当航行器需要沿着逆时针方向偏航或者回转时，一号仿生附体1和二号仿生附体2开展正向行波运动，三号仿生附体3和四号仿生附体4开展负向行波运动。
41.本发明可以根据实际的需求实现多功能航行需求，通过控制不同仿生附体之间的运动，实现直航、倒车、偏航以及回转等运动。
42.本发明所述的仿生附体具备正向行波运动以及反向行波运动功能。根据不同的运动需求，航行器仿生附体可开展相应的正向/或者反向行波运动；
43.本发明安装了四个仿生附体，即机体两侧各布置两个，数值计算结果表明，该种布置方式获得的推力系数均值和推进效率均达到最大值。
44.仿生附体的几何尺寸相同，且仿生附体与机体之间的距离均为0.2倍附体的弦长。该距离下，仿生附体开展行波运动时可最大程度利用壁面效应的影响，从而提升推进性能。
45.本发明的具体结构和功能如下：
46.本发明采用双模块的形式，即该航行器由两个部分组成，任务搭载模块和仿生推进模块。通过合理设计仿生附体的布放位置和运动参数，从而提升能量利用率和推进性能。
47.其中任务搭载模块由机体头部结构601、机体中部结构602以及机体尾部结构603组成，该模块主要用于储存ctd传感器、重心调节机构、电机、驱动器等部件。
48.机体头部结构601采用椭球体结构，“椭球体”形状作为航行器的头部，其原因主要在于，与传统“锥形”水下航行器相比，头部为“椭球体”的水下航行器流线排挤效果更好，阻力值更小。
49.其中仿生推进模块由四个仿生附体组成，分别为：一号仿生附体1、二号仿生附体2、三号仿生附体3和四号仿生附体4，该模块功能是借助仿生附体的行波运动，进而完成航行器的直航、倒车、偏航以及回转运动等。
50.两个模块之间通过连接轴5进行连接，此外仿生推进模块产生的力亦由连接轴5传递到机体上，从而带动整个航行器运动。
51.所谓“多功能”指的是，本发明提出的仿生水下航行器具备直航、倒车、偏航以及回转等多种功能。
52.当航行器需要直航前进时，四个仿生附体均开展正向行波推进运动，从而带动整个航行器向前运动。四个仿生附体行波运动的方向均沿着航行器前进方向(如图1箭头方向)。
53.当航行器需要倒车时，四个仿生附体均开展反向行波推进运动，从而带动整个航行器向后运动。
54.当航行器需要沿着顺时针方向偏航或者回转时，四个仿生附体分别开展不同方向的行波推进运动，从而带动整个航行器偏航或者回转。具体表现为：一号仿生附体1和二号仿生附体2开展负向行波运动，三号仿生附体3和四号仿生附体4开展正向行波运动，二者分别产生一对向后和向前的作用力，该力大小相等，方向相反，构成一个顺时针方向的力矩，该力矩驱动航行器做出偏转和回转机动。
55.当航行器需要沿着逆时针方向偏航或者回转时，四个仿生附体分别开展不同方向的行波推进运动，从而带动整个航行器偏航或者回转。具体表现为：一号仿生附体1和二号仿生附体2开展正向行波运动，三号仿生附体3和四号仿生附体4开展负向行波运动，二者分别产生一对向前和向后的作用力，该力大小相等，方向相反，构成一个逆时针方向的力矩。该力矩驱动航行器做出偏转和回转机动。
56.对于“仿生运动模块”，本发明拟借鉴鱼胸鳍的运动方式，采用行波推进运动方程来控制胸鳍的运动。值得注意的是，根据不同需求，波动鳍可沿着正向 (即前进方向，用于推进，如公式(1)所示)或者反向(如公式(2)所示) 进行行波运动。
57.其具体运动方程可用如下公式表示：
[0058][0059][0060]
其中，
[0061]
y1(x,t)表示仿生附体采用正向行波函数时仿生附体的纵坐标；
[0062]
y2(x,t)表示仿生附体采用正向行波函数时仿生附体的纵坐标；
[0063]
a(x)表示幅值函数，主要用于控制行波运动的幅值，在实际应用中，a(x) 可为任意函数；
[0064]
λ和f分别表示行波波长和运动频率；
[0065]
t表示运动时间；
[0066]
x表示仿生附体的横坐标。
[0067]
本发明与采用传统推进运动方式的航行器相比，具有低噪声、高效率等优势，符合水下航行器推进操纵一体化的发展趋势。此外，基于提升推进性能的考虑，本发明提出了多波动鳍联动控制的设计思想。即在机体两侧布置多个仿生附体，通过合理设计布放位置和运动参数，提升行波板能量利用率和推进性能。另一方面，为了提高仿生水下无人航行器的机动性能，本项目在传统行波板纵向运动的基础上引入新的横向行波，使其具备推进和操纵的“双功能”。根据实际需求，选择性地控制波动鳍的运动方向，从而实现快速推进和高效机动。
[0068]
表1航行器运动与仿生附体运动对应表
[0069] 一号仿生附体二号仿生附体三号仿生附体四号仿生附体直航正向正向正向正向倒车反向反向反向反向逆时针偏航/回转正向正向反向反向顺时针偏航/回转反向反向正向正向
[0070]
备注：本发明中，机体头部结构601为航行器主体头部，机体尾部结构603 为航行器主体尾部。
[0071]
当航行器沿着x轴负方向运动时，定义为直航(即头部在前，尾部在后)；当航行器沿着x轴正方向运动时，定义为倒车(即头部在后，尾部在前)。
[0072]
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
技术特征：1.一种双模块多功能仿生水下无人航行器，其特征在于：包括任务搭载模块和仿生推进模块，所述任务搭载模块的结构为：包括机体总成(6)，所述机体总成(6)从头部至尾部依次分为机体头部结构(601)、机体中部结构(602)和机体尾部结构(603)；所述仿生推进模块的结构为：包括四个仿生附体，分别为一号仿生附体(1)、二号仿生附体(2)、三号仿生附体(3)和四号仿生附体(4)，所述一号仿生附体(1)和二号仿生附体(2)分布在机体中部结构(602)的一侧位置，并间隔分布，所述三号仿生附体(3)和四号仿生附体(4)分布在机体中部结构(602)的另一侧位置，一号仿生附体(1)和三号仿生附体(3)对称设置，二号仿生附体(2)和四号仿生附体(4)对称设置；任务搭载模块和仿生推进模块之间通过连接轴(5)进行连接，仿生推进模块产生的力亦由连接轴(5)传递到机体总成(6)上，从而带动整个航行器运动。2.如权利要求1所述的一种双模块多功能仿生水下无人航行器，其特征在于：所述机体头部结构(601)采用椭球体结构。3.如权利要求1所述的一种双模块多功能仿生水下无人航行器，其特征在于：所述机体头部结构(601)的长度小于机体尾部结构(603)的长度。4.如权利要求1所述的一种双模块多功能仿生水下无人航行器，其特征在于：四个仿生附体的结构相同。5.如权利要求1所述的一种双模块多功能仿生水下无人航行器，其特征在于：四个仿生附体独立工作。6.一种双模块多功能仿生水下无人航行器的操作方法，其特征在于：操作过程如下：当航行器需要直航前进时，四个仿生附体均开展正向行波推进运动，从而带动整个航行器向前运动；当航行器需要倒车时，四个仿生附体均开展反向行波推进运动，从而带动整个航行器向后运动；当航行器需要沿着顺时针方向偏航或者回转时，一号仿生附体(1)和二号仿生附体(2)开展负向行波运动，三号仿生附体(3)和四号仿生附体(4)开展正向行波运动；当航行器需要沿着逆时针方向偏航或者回转时，一号仿生附体(1)和二号仿生附体(2)开展正向行波运动，三号仿生附体(3)和四号仿生附体(4)开展负向行波运动。
技术总结一种双模块多功能仿生水下无人航行器及操作方法，包括任务搭载模块和仿生推进模块，任务搭载模块的结构为：包括机体总成，其从头部至尾部依次分为机体头部结构、机体中部结构和机体尾部结构；仿生推进模块的结构为：包括四个仿生附体，一号仿生附体和二号仿生附体分布在机体中部结构的一侧位置，三号仿生附体和四号仿生附体分布在机体中部结构的另一侧位置，一号仿生附体和三号仿生附体对称设置，二号仿生附体和四号仿生附体对称设置；任务搭载模块和仿生推进模块之间通过连接轴进行连接，仿生推进模块产生的力亦由连接轴传递到机体总成上，从而带动整个航行器运动，通过合理设计仿生附体的布放位置和运动参数，从而提升能量利用率和推进性能。量利用率和推进性能。量利用率和推进性能。
技术研发人员：李永成 王小庆 肖冬林
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2022.05.18
技术公布日：2022/7/5
