基本信息
- 项目名称：
- 组合仿生UUV
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品设计制作了仿生UUV模型。模型突破生物的生理局限，采用双尾鳍推进方式，不仅有效抑制了常规尾鳍推进所带来的本体晃动问题，改进了潜航器巡游的稳定性，而且显著提高了推进速度；此外，借鉴飞行动物拍翼的机动灵活之所长，为潜航器研制增设了强化功能的两自由度胸鳍机构，实现了高机动性。该模型的研制成功不仅验证了组合仿生概念的可行性，还初步揭示了其优势，为仿生UUV提供了一条新的发展思路。
- 详细介绍：
- 本作品设计制作了仿生UUV模型。由于采用单自由度摆动尾鳍的潜航器易产生摇艏问题，本作品突破生物的生理局限，采用双尾鳍对称摆动的推进方式，不仅有效抑制了常规尾鳍推进所带来的本体晃动问题，改进了潜航器巡游的稳定性，而且显著提高了推进速度，模型巡游速度达到1.3身长每秒；此外，借鉴飞行动物拍翼的机动灵活之所长，为潜航器研制增设了强化功能的两自由度胸鳍机构。该胸鳍模拟昆虫飞行的扑翼运动，能够在竖直平面内产生360度的推力矢量。试航中通过胸尾鳍的配合实现了上浮下潜、制动、后退、滚转、急转等机动动作，证明了了模型的高机动性。该模型的研制成功不仅验证了组合仿生概念的可行性，还初步揭示了其优势，为仿生UUV提供了一条新的发展思路。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品基本思路与创新点： 鱼类主要依靠其尾鳍的对称拍动获得向前的高效巡游推力但这种推进方式使得仿鱼潜航器在上浮、下潜乃至倒退的机动能力受到限制；而对昆虫类飞行动物来说，其扑翼的推进方式使机动性较之鱼类更为灵活。本作品结合两种推进方式的优势，采用鱼类尾鳍拍动方式获得巡航推力，采用拍翼方式实现变向机动。 依靠单个尾鳍摆动推进的潜航器本体会随着尾鳍的摆动而晃动，导致其运动稳定性很差，推进力也因此降低。本作品设计将两个相同的尾鳍左右并排安置，巡游时双尾鳍对称摆动（相位差为180度）以抵消横向作用力。 胸鳍的设计借鉴昆虫的扑翼，并根据实际需要将三自由度扑翼简化为的两自由度的运动，分别为挥拍和旋转，两种运动组合可以在平面内产生任意方向的推力矢量。 作品目的与意义： 摒弃现有水下潜航器单一地“仿”某种水下动物，吸收各类飞行与游动动物的精华，取长补短，合理设计，进而实现“源于自然，超越自然”的目标。 技术关键与主要技术指标： 得益于双尾鳍的创新设计，模型本体几乎没有任何摆动，推进速度也令人满意，达到了0.5m/s。若使用推进速度与体长之比（BL/s）衡量推进效率，本作品已达1.3BL/s，属于仿生鱼推进中的佼佼者。 机动性方面，本作品不仅能够完成常规的转向和上浮下潜，还能够实现滚转、后退以及原地转艏等高难度动作。
科学性、先进性
- 本作品从设计理念上区别于现有仿生潜航器。本作品提出组合仿生的概念，突破生物的生理局限，使得“源于自然，超越自然”成为可能，为仿生UUV的发展提供新的方向。通过本作品的验证，这种组合仿生推进方式具有相当的可行性和发展前景。 双尾鳍的设计在理论上可以完全消除尾鳍摆动产生的横向作用力，保证潜航器本体的稳定性。从试航的结果来看，双尾鳍推进模式达到了预期的效果。仅使用尾鳍推进时，双尾摆动相位差设置为180度，模型本体几乎没有任何摆动，推进速度与体长之比达到领先水平。 在机动性方面，本作品的两自由度胸鳍较之传统单自由度艏水平舵体现出明显的优势。推力矢量的实现，使得模型能够从静止状态实现任意方向的机动动作，帮助潜航器高效的完成更多机动动作。 与已有的仿鱼类航行器相比，本作品具有上浮、下潜、后退机动等推力矢量优点。另外，通过双尾鳍的巧妙组合，有效解决了航行器本体晃动的问题，加强了推进能力。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品曾在中国海洋学会军事海洋学专业委员会举办的第五届军事海洋战略与发展论坛上进行展示，并获得优秀论文（2008年11月，广州） 本作品在第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛获得特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 模型现场演示；图片；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 特点和优势： 本作品突破生物的生理局限，采用双尾鳍推进方式，不仅有效抑制了常规尾鳍推进所带来的晃动问题，改进了潜航器巡游的稳定性，而且显著提高了推进速度；此外，借鉴飞行动物拍翼的机动灵活之所长，为潜航器研制增设了强化功能的两自由度胸鳍机构，实现了高机动性。 应用前景： 本作品使用的双尾鳍推进方式目前尚处于探索阶段，但相信随着研究的深入，其很可能成为一种新型的推进方式。另一方面，尽管两自由度胸鳍在巡航推力方面贡献尚不明显，但其在机动性方面的作用明显优于传统艏水平舵，对于追求高机动性的小型UUV是个很好的选择。 本文制作的潜航器体长仅为0.38m，探索了仿生潜航器的小型化。小型仿生潜航器能够藏身于水生动物群中，欺骗性强，加之其出色的机动能力，只要解决续航能力的问题，便可以轻易突破各种障碍。另一个发展方向是将本潜航器大型化。凭借其1.3BL/s的高推进效率，在5米体长时即可获得10节左右的航速，速度方面足以与螺旋桨推进的UUV相媲美，机动性方面则远胜于传统UUV。
同类课题研究水平概述
- 近年来，无人水下航行器（UUV — Unmanned Underwater Vehicle）作为一种新兴的作战力量正在受到各军事大国的高度重视。2005年1月,美海军制定出新的UUV发展规划，对无人潜航器本身的航行能力、机动性、隐身性等提出了更高的要求。然而，现有UUV普遍采用的是螺旋桨为主的推进器，这些常规推进方式明显存在推进效率低、定位困难、转弯缺乏灵活性和悬停不精确等缺点。在新一代水下作战平台中，仿生潜航器以其效率高、机动性强、噪声低和藏身于水生动物群中等优势，比常规海战武器更加富有突防性、隐蔽性、欺骗性和经济性，因而特别适合军事应用。 1994年，MIT通过对金枪鱼的长期研究，成功研制出世界第一条仿生机器金枪鱼——“Robo Tuna”，证明了仿生机器鱼推进效率比现有UUV推进效率更高。1995年，MIT又诞生了机器鱼“Pike”，证明仿生鱼具有良好的静态转向和加速能力。1996年日本研制的仿黑色鲈鱼机器鱼，证明胸鳍推进的高机动性。2000年MIT在发表的本领域权威性综述指出，仿鱼类推进技术开始进入工程应用研究阶段（美国、英国、日本等）。近年来，又出现了很多非仿鱼的仿生UUV，如MIT的RoboTurtle、机器水母、机器鳐鱼等。但是，与自然界的游动、飞行生物相比，即便是当今最先进的仿生航行器也远未达到完美的程度。
