一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統的製作方法

2023-05-30 08:38:46 1

本發明屬於水下推進動力領域，涉及一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，適合於任意粒子單元數量、任意編隊形式的粒子集群系統。

背景技術：

隨地球上的生物物種在漫長的演化過程中形成了豐富的行為特性，並且一直在不斷地完善和發展，以更好的適應其所生存的環境。隨著計算機的發展，人們期望藉助電腦程式的形式創造出一些新型的智能體，於是對人類的大腦活動、生物物種的社會行為以及生物界的進化過程進行了模擬研究。實踐表明，基於自然生態系統模擬而形成的演化計算方法是解決這類問題的有效手段。人們一直在利用來自生物系統的靈感來解決許多實際問題，並構造和設計出許多智能仿生優化算法。其中包括模擬生物界中自然選擇和遺傳機制的遺傳算法、模擬螞蟻群體覓食行為的蟻群算法、模擬人類大腦及其活動的人工神經網絡、模擬哺乳動物免疫系統的人工免疫算法、模擬魚群覓食行為的人工魚群算法，以及模擬鳥類群體捕食行為的粒子群算法等。但是，以人工魚群算法和鳥類粒子群算法為代表的集群模型中，其粒子個體在三維空間中運動，因此難以進行實驗驗證或分析。例如，雖然可以採用微型四軸直升機陣列對鳥群進行模擬，但是需要消耗大量能源和算法來克服重力，以實現懸浮。而採用機械魚對魚群運動進行模擬的可行性也非常差，首先，單個機械魚的靈活性難以比擬真實魚類，個體的運動誤差進行累加和放大後，導致對集群整體運動的實驗觀測結果不具可信性；再次，單個的機械魚的控制非常複雜，採用集群運動後的控制難度將進一步提高，制約其可行性。

技術實現要素：

技術問題：本發明提供了一種具備懸浮功能和高度調控靈活性的多自由度磁流體推進式水下粒子集群系統。

技術方案：本發明的一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，該集群系統由多個粒子單元組成，一個粒子單元包括勵磁裝置、表面電極、電極開關、絕緣不導磁基座和電源；該勵磁裝置和表面電極位於在絕緣不導磁基座上，且該勵磁裝置和表面電極交錯分布，即相鄰的兩個勵磁裝置之間有一個表面電極；勵磁裝置的磁場方向與該粒子單元的外表面法向平行，相鄰的兩個勵磁裝置的磁場方向相反；所述表面電極分布在粒子單元外表面上，與外界環境相接觸；任意一個表面電極均通過一個電極開關與電源相連接，所述電極開關有三種工作狀態包括關斷狀態、與電源正極相連接、與電源負極相連接；該電極開關相互獨立工作；勵磁裝置和相鄰的表面電極在空間排布上形成一個圓環結構，稱推力圓環，一個粒子單元共有三個推力圓環，且三個推力圓環所在平面兩兩垂直。

進一步的，本發明的電源為電壓源或電流源。

進一步的，本發明的電源為直流電源或交流電源。

進一步的，本發明的一個表面電極具有三種工作狀態，即不通電、與電源正極連接、與電源負極連接，一個表面電極在同一時刻只能處於上述三種工作狀態中的一種。

進一步的，本發明的任意兩個表面電極均相互獨立工作。

進一步的，本發明的勵磁裝置為永磁體、電勵磁裝置或混合勵磁裝置。

進一步的，本發明的絕緣不導磁基座為球形、橢球形或其他凸面體結構。

進一步的，本發明的粒子單元還包括用於反饋粒子單元的位置信號和姿態信號的位置傳感器和陀螺儀、控制單個粒子單元的運動方向和空間姿態的控制器。

進一步的，本發明的位置傳感器為深度傳感器、全球導航裝置或聲吶定位裝置。

有益效果：本發明提出了一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，通過巧妙地將勵磁裝置和電極交錯排布在球形絕緣不導磁基座上，形成具有懸浮能力和多自由度的球形粒子單元，多球形粒子單元構成集群系統，在對集群系統的模擬和分析領域展現出巨大潛力和優勢。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1.現有技術對集群行為的模擬，在三維空間中運動時，常藉助微型多軸無人機進行模擬，這需要消耗大量的系統能源來克服重力，且對單個無人機的控制非常複雜；而在本發明中，通過合理選擇絕緣不導磁基座的材質，可以使得各球形粒子單元在水下具有懸浮能力，巧妙的解決了重力的束縛，大大簡化了系統的複雜程度和控制難度，尤其便於對集群行為的模擬和進行空間定位，為粒子集群行為的研究提供了嶄新的思路。

2.本發明中，一個球形粒子單元具有三條推力圓環，每條推力圓環均可產生方向一致的推力，三條推力圓環的推力兩兩垂直，因此一個球形粒子單元的推力有三個自由度，分別沿正交直角坐標系的X、Y、Z方向。這極大提升了單個球形粒子單元的運動靈活性，便於構建集群系統。

3.本發明的粒子集群系統，推力產生方式為磁流體推進式，無需機械運動，可以使得採用本發明技術的水下裝置具有非常低的噪聲，尤其是，由於推力均勻分布在推力環上，可以避免傳統的集中式推力對水流的擾動，這在對水下生物進行靜默跟蹤時具有極大優勢，可以避免對水下生物的幹擾，進行長時間靜默跟蹤、監測、觀察。

4.本發明的粒子集群系統中，當勵磁裝置採用永磁體時，可減小球形粒子單元的體積，提高系統效率，緩解發熱情況，進而降低對電源容量的需求。

5.本發明的粒子集群系統中，勵磁裝置和表面電極等主要發熱部件與周圍環境直接接觸，提高了系統散熱效率。

6.本發明的粒子集群系統中，一個球形粒子單元具有極高的容錯運行性能，即勵磁裝置和表面的電極的部分損壞不影響球形粒子的繼續運行。

7.本發明的粒子集群系統中，一個球形粒子單元的勵磁裝置和表面電極可採用模塊化的加工方式，加工難度低、易於裝配。尤其是可維護性高，在維修時僅需替換損壞部位，維修成本低、時間短。

綜合上述可知，本發明的電磁流體推進器在集群行為模擬、水生生物監測、水下巡航、水生生物仿生學研究等領域具有巨大的應用潛力。

附圖說明

圖1是本發明的一個球形粒子單元的示意圖，其中有：勵磁裝置1、表面電極2、絕緣不導磁基座4；

圖2是圖1的前視圖，其中有勵磁裝置1、表面電極2、電極開關3、球形絕緣不導磁基座4、電源5、控制器6、位置傳感器7、陀螺儀8；

圖3是本發明中，一個球形粒子單元的磁流體推力原理示意圖；

圖4是本發明的粒子集群系統的平面集群模式示意圖；

圖5是本發明的粒子集群系統的波浪狀曲面集群模式示意圖；

圖6是本發明的粒子集群系統的管狀集群模式示意圖；

圖7是本發明的粒子集群系統的立方體集群模式示意圖；

圖8是本發明的粒子集群系統的螺旋線集群模式示意圖；

圖9是本發明的粒子集群系統的脫氧核糖核酸(DNA)雙螺旋狀集群模式示意圖。

具體實施方式

以如圖1和圖2所示的多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統(下文中簡稱為粒子集群系統)的一個球形粒子單元為例，結合圖3所示的磁流體推力產生原理，和圖4至圖8所示的集群狀態，具體說明本發明的技術方案。

本發明的粒子集群系統的一個球形粒子單元包括勵磁裝置1、表面電2極、電極開關3、球形絕緣不導磁基座4、電源5、控制器6、位置傳感器7、陀螺儀8；勵磁裝置1和表面電極2交錯分布，即相鄰的兩個勵磁裝置1之間有一個表面電極2；勵磁裝置1和表面電極2位於在球形絕緣不導磁基座4上；勵磁裝置1的磁場方向與粒子單元的外表面法向平行，相鄰兩個勵磁裝置的磁場方向相反；表面電極2分布在粒子單元外表面上，與外界環境相接觸；任意一個表面電極2均通過一個電極開關3與電源5相連接；所述電極開關3有三種工作狀態，即關斷狀態、與電源5正極相連接、與電源5負極相連接；各電極開關3相互獨立工作；所述的勵磁裝置1和相鄰的表面電極2在空間排布上形成一個圓環結構，稱推力圓環，一個球形粒子共有三個推力圓環，且三個推力圓環所在平面兩兩垂直。

此粒子集群系統由任意數量的球形粒子單元構成，各球形粒子單元獨立工作。

此粒子集群系統的電源為電壓源或電流源。

此粒子集群系統的電源為直流電源或交流電源。

此粒子集群系統的一個表面電極具有三種工作狀態，即不通電、與電源正極連接、與電源負極連接，一個表面電極在同一時刻只能處於上述三種工作狀態中的一種。

此粒子集群系統的表面電極相互獨立工作。

此粒子集群系統的勵磁裝置為永磁體、電勵磁裝置或混合勵磁裝置。

此粒子集群系統的位置傳感器為深度傳感器、全球導航裝置或聲吶定位裝置。

此粒子集群系統的絕緣不導磁基座為球形、橢球形或其他凸面體結構。

圖3是本發明中，一個球形粒子單元的磁流體推力的產生原理，根據洛倫茲力的產生原理，當勵磁裝置的磁場方向和表面電極的通電方式如圖3所示時，可以產生沿Z軸負方向的洛倫茲力，此洛倫茲力推動周圍水流運動，反作用力推動水下裝置沿Z軸正方向運動。通過改變表面電極的電壓大小和極性，可以改變電磁推力的大小和方向。結合位置傳感器和陀螺儀反饋的球形粒子單元的位置信號和姿態信號，由控制器發出指令，控制單個球形的運動方向和空間姿態。由勵磁裝置和相鄰的表面電極在空間排布上構成一個圓環狀，該推力圓環產生的電磁推力方向相同，沿圓環所在平面的法向。一個球形粒子單元共有三條推力圓環，三條圓環所在平面兩兩垂直，因此所產生的推力也兩兩垂直。使得該球形粒子單元的推力具有三個自由度，分布沿正交直角坐標系的X軸、Y軸、Z軸。

圖4是本發明的磁流體集群系統的平面集群模式示意圖。此時，各球形粒子單元在空間排布上呈現為平面狀，可應用於對二維集群運動狀態的模擬，例如鳥類遷徙的運動規律。

圖5是本發明的磁流體集群系統的波浪狀曲面集群模式示意圖。此時，各球形粒子單元在空間排布上呈現為波浪狀，可用於對單個水生生物的魚鰭運動規律進行模擬和分析。

圖6是本發明的磁流體集群系統的管狀集群模式示意圖。此時，各球形粒子單元在空間排布上呈現為管狀，可用於魚群監測等領域。

圖7是本發明的磁流體集群系統的立方體集群模式示意圖。此時，各球形粒子單元在空間排布上呈現為立方體狀，可應用於對魚群規避行為、覓食行為等的模擬。

圖8是本發明的磁流體集群系統的螺旋線集群模式示意圖，為便於觀察，在圖中添加了運動軌跡線。此時，各球形粒子單元在空間排布上呈現為螺旋線狀，可用於對條狀水下生物，例如海鰻的運動規律進行模擬。

圖9是本發明的磁流體集群系統的DNA雙螺旋狀集群模式示意圖。此時，各球形粒子單元在空間排布上呈現為DNA雙螺旋狀陣列，可應用於大分子生物學和化學領域的分子狀態模擬，例如DNA的運動和進化規律、雙螺旋碳納米管的合成研究等。

本發明磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統的運動模式包括，但不限於圖4至圖9所示的運動模式。本發明的粒子集群系統，非但適用於宏觀集群行為的模擬和水生生物的觀察、監測，還可以應用於對單個生物個體的仿生學研究，並且在大分子生物學和化學領域也展現出巨大的應用潛力。