一种多模态自主变形仿生喷流航行器

本发明属于机械领域，具体涉及一种多模态自主变形仿生喷流航行器。

背景技术：

1、目前水下航行器的动力源大多为螺旋桨推进，存在着噪音大，隐蔽性差等缺点，面对全球海洋经济的不断发展和人们对海洋资源的需求日益增长的现状亟须提出一种新的高效水下航行器推进方式。

2、长鳍鱿鱼等生物在水下是依靠喷流推进以及头鳍扑动两种方式移动的，喷流推进的机制主要是通过柔性胸腔的收缩-膨胀变形实现吸水-喷水运动，来进行高效的喷流推进，另一种是依靠顶鳍的缓慢运动，在低速巡航时，其通过头部鳍进行扑动推进。这两种运动都具有灵活性高、能有效实现流动控制等特点。可以有效改善水下航行器螺旋桨推进方式噪音大，隐蔽性差等特点。

3、生物鱿鱼在快速启动时，往往采用腔体大变形的运动形式，来快速获得启动速度。在喷出的流体结构中，非定常涡环在推力的产生中发挥着主要作用，可分为引导涡环与二次涡环，其中引导涡环的贡献度最大。对于鱿鱼的周期性喷流推进运动，连续吸水-喷流推进运动与间歇式的喷流-滑行运动的水动力的实验表明，一定时间比例的间歇式喷流推进运动具有更高的游动效率，而连续推进运动在游动速度以及复杂的高雷诺数流场中更具优势。并且实验发现生物鱿鱼通过改变喷口的角度实现喷流方向的改变，研究表明，当喷流与来流呈一定角度时，涡环不再是轴对称的。在喷射过程中存在一个扭矩峰值，该扭矩峰值是由射流以锐角向下喷射时内部喷嘴表面下部的压力导致的。扭矩随着喷嘴弯曲角度的增大而增大，同时推力几乎保持不变。

4、现有技术中公开的仿鱿鱼航行器采用多连杆机构，腔体蒙皮受轴向压力弯曲变形，变形不规则。这导致一个喷水行程中，喷水量不足，推进效率与推进速度偏低。此外，现有技术推进形式单一，且无法实现有效的水下航行深度改变。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种多模态自主变形仿生喷流航行器，结合了扑翼和膨胀-收缩技术，能够根据任务需求调整巡航速度和方向，其中膨胀-收缩过程中膨胀吸水过程为慢行程，收缩喷流过程为急回过程，能够完全模仿鱿鱼的喷流-滑行运动过程，进行高效的喷流推进。本发明解决了现有技术中水下航行器噪声大，推进效率与推进速度偏低的问题。

3、本发明的技术方案是：一种多模态自主变形仿生喷流航行器，包括沿轴向依次排布的头部扑翼、水密电子舱、重浮力调节舱、柔性喷流控制舱、矢量喷口，整体轮廓模仿鱿鱼外形；

4、所述头部扑翼包括头壳及对称设置于头壳两侧的柔性扑翼，所述柔性扑翼能够在设定角度范围内扑动，以提供持续性的推进力；

5、所述水密电子舱用于容纳航行器所用电子元器件；

6、所述重浮力调节舱通过重量调节浮力，进而实现对航行器深度的控制；

7、所述柔性喷流控制舱通过控制体积的膨胀和收缩，完成吸水和急速排水的过程，进而完成喷流-滑行运动，提供间歇性的推进力；

8、所述矢量喷口通过改变与航行器中轴线之间的夹角，完成对喷流方向的控制，进而实现航行器航行方向和姿态的控制。

9、本发明的进一步技术方案是：所述柔性扑翼包括骨架和包覆于骨架上的柔性硅胶材料；所述骨架是由多个鳍条构成的扇形框架，多个鳍条的一端均固定连接构成骨架的根部，另一端呈放射状用以支撑柔性硅胶材料形成柔性扑翼的执行部分；所述骨架的根部设置有连杆，连杆的轴向垂直于航行器的中轴线，作为动力接收部分。

10、本发明的进一步技术方案是：所述头壳内设置有驱动部件，所述驱动部件的输出轴与骨架根部的连杆连接，通过驱动部件控制连杆转动，进而带动柔性扑翼绕连杆转动完成扑动动作。

11、本发明的进一步技术方案是：所述驱动部件是转动行程为180°的第一舵机，所述第一舵机的输出轴与一侧柔性扑翼的连杆同轴连接；另一侧柔性扑翼的连杆输出轴通过折弯杆与第一舵机的输出轴连接，通过折弯杆将第一舵机的转动控制传递至另一侧的连杆，完成两侧柔性扑翼的联动控制。

12、本发明的进一步技术方案是：所述水密电子舱包括外壳及其内设置的水密舱体，所述水密舱体内置传感器、无线信号接收机、stm32f103c8t6单片机；水密舱体的开口处与密封盖采用径向密封，舱盖顶端布置穿线螺栓用于通过电子线束，采用环氧胶对穿线螺栓进行密封。

13、本发明的进一步技术方案是：所述重浮力调节舱包括调节舱外壳及其内设置的双向齿轮泵、活塞缸，所述双向齿轮泵从调节舱外壳外泵入或泵出水流，改变活塞缸中的水量来调节航行器重量，实现航行器的上浮和下潜；

14、所述双向齿轮泵正转时，水从调节舱外壳的开口处流进活塞缸，活塞向下运动，航行器因重量增加而下潜；当齿轮泵反转时，活塞向上运动，水从穿板接头流出，航行器重量减少而上浮。

15、本发明的进一步技术方案是：所述柔性喷流控制舱包括弹性式支撑框架及其内设置的轴向伸缩控制机构，其外包覆的可膨胀/收缩式蒙皮，

16、所述弹性式支撑框架包括顶板、内推及弹性肋条，多个弹性肋条沿周向均布，其一端均连接于顶板的外缘，另一端均连接于矢量喷口的外缘，可膨胀/收缩式蒙皮包覆于外围构成密封筒体结构；

17、所述轴向伸缩控制机构的固定端安装于顶板上，其伸缩端与内推连接，通过控制伸缩端的轴向位置，完成对弹性肋条和蒙皮的膨胀/收缩，进而完成吸水和喷流动作。

18、本发明的进一步技术方案是：所述轴向伸缩控制机构包括第二舵机和曲柄推杆机构，所述第二舵机安装于顶板上，其输出轴与曲柄推杆机构连接；

19、所述曲柄推杆机构包括曲柄、推杆、滑块，曲柄的一端与第二舵机输出轴连接，另一端与推杆一端铰接，推杆的另一端与滑块铰接，所述滑块与内推连接，通过第二舵机驱动曲柄转动，由推杆带动滑块、内推、矢量喷口沿航行器轴向往复直线运动；

20、当带动矢量喷口朝向航行器头部运动时，弹性肋条中部弯曲带动蒙皮向外膨胀，为控制舱的吸水动作；当带动矢量喷口朝向航行器尾部运动时，弹性肋条恢复带动蒙皮收缩，为控制舱的喷流动作，基于肋条的弹性作用，在喷流过程中能够快速恢复，由急速喷射产生稳定推进力。

21、本发明的进一步技术方案是：所述矢量喷口包括环形底座、球形喷口及角度调节机构，所述环形底座通过底座连杆与柔性喷流控制舱的内推同轴连接，其内环面与球形喷口的外球面为滑动连接；所述角度调节机构的固定端安装于环形底座，控制端与球形喷口连接，能够控制球形喷口的相对转动角度。

22、本发明的进一步技术方案是：所述角度调节机构包括第三舵机和拉杆，所述第三舵机固定于环形底座内壁，其输出端与拉杆一端连接，拉杆的另一端与球形喷口的内球面连接，通过第三舵机带动拉杆转动，进而带动球形喷口改变旋转角度。

23、有益效果

24、本发明的有益效果在于：

25、1.节能性：本发明利用伸缩控制机构和柔性腔体部分，通过伸缩的慢行程和快行程运动，实现了腔体的收缩和膨胀。在膨胀阶段，舵机的输出力矩较小，减少了能源消耗。这样的设计使得推进装置在喷射完成后能够迅速恢复，并重新膨胀充水，实现了连续的喷射推进过程，相较于现有技术更加节能。

26、2.高机动性和操纵性：本发明拥有多形式的机动执行部件，矢量喷口部分采用了球形喷口和内置连杆，通过改变舵机的工作状态，喷口可以按球径环绕以改变喷口方向，从而改变喷出水流方向。头部扑翼通过改变下扑与上扑的行程比，同样能够实现俯仰机动。此外，本发明设计了小型浮力调节装置，能够进行快速精细的深度控制。这样的设计使得航行器能够进行俯仰、偏航等各种姿态控制动作以及航行深度改变，提高了航行器的机动性能和操纵性。

27、3.高速性：本发明的推进技术方案结合了柔性腔体喷流推进与扑翼扑动推进，以实现高速推进。柔性腔体的收缩-膨胀循环喷射推进机制，充分利用了腔体的弹性和推杆机构的运动特性，使航行器能够快速膨胀和收缩，从而实现高效的喷射推进。扑翼扑动与腔体喷流设计了一定的相位差，使得在腔体收缩过程，扑翼仍能够提供一定动力。这种混合推进方式提供了更为连续的推力，使得航行器能够以更高的速度前进。本发最高可达0.8个体长/秒的巡游速度，较现有技术提升约为40％。

28、在速度、效率、机动性等方面提升对于仿生水下航行器和相关应用具有重要意义，使其能够更快速地完成任务、覆盖更大的区域，具备一定的应用能力。