一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統技術方案

本發明專利技術公開了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，當多個粒子單元構建成為集群系統后，可以進行編隊運行，模擬例如魚群、鳥群等多種集群行為。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于水下推進動力領域，涉及一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，適合于任意粒子單元數量、任意編隊形式的粒子集群系統。
技術介紹
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，并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，人們期望借助計算機程序的形式創造出一些新型的智能體，于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，基于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，并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，雖然可以采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。而采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后，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復雜，采用集群運動后的控制難度將進一步提高，制約其可行性。
技術實現思路
技術問題：本專利技術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：本專利技術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于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，本專利技術的電源為電壓源或電流源。進一步的，本專利技術的電源為直流電源或交流電源。進一步的，本專利技術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于上述三種工作狀態中的一種。進一步的，本專利技術的任意兩個表面電極均相互獨立工作。進一步的，本專利技術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，本專利技術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，本專利技術的粒子單元還包括用于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，本專利技術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：本專利技術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。本專利技術與現有技術相比，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，常借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復雜；而在本專利技術中，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，大大簡化了系統的復雜程度和控制難度，尤其便于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.本專利技術中，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，便于構建集群系統。3.本專利技術的粒子集群系統，推力產生方式為磁流體推進式，無需機械運動，可以使得采用本專利技術技術的水下裝置具有非常低的噪聲，尤其是，由于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干擾，進行長時間靜默跟蹤、監測、觀察。4.本專利技術的粒子集群系統中，當勵磁裝置采用永磁體時，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.本專利技術的粒子集群系統中，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.本專利技術的粒子集群系統中，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.本專利技術的粒子集群系統中，一個球形粒子單元的勵磁裝置和表面電極可采用模塊化的加工方式，加工難度低、易于裝配。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，本專利技術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是本專利技術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是本專利技術中，一個球形粒子單元的磁流體推力原理示意圖；圖4是本專利技術的粒子集群系統的平面集群模式示意圖；圖5是本專利技術的粒子集群系統的波浪狀曲面集群模式示意圖；圖6是本專利技術的粒子集群系統的管狀集群模式示意圖；圖7是本專利技術的粒子集群系統的立方體集群模式示意圖；圖8是本專利技術的粒子集群系統的螺旋線集群模式示意圖；圖9是本專利技術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，具體說明本專利技術的技術方案。本專利技術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位于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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，其特征在于，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(1)、表面電極(2)、電極開關(3)、絕緣不導磁基座(4)和電源(5)；所述勵磁裝置(1)和表面電極(2)位于在絕緣不導磁基座(4)上，且該勵磁裝置(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)；所述勵磁裝置(1)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(1)的磁場方向相反；所述表面電極(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，包括關斷狀態、與電源(5)正極相連接、與電源(5)負極相連接；所述電極開關(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。

【技術特征摘要】
1.一種多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，其特征在于，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(1)、表面電極(2)、電極開關(3)、絕緣不導磁基座(4)和電源(5)；所述勵磁裝置(1)和表面電極(2)位于在絕緣不導磁基座(4)上，且該勵磁裝置(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)；所述勵磁裝置(1)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(1)的磁場方向相反；所述表面電極(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，包括關斷狀態、與電源(5)正極相連接、與電源(5)負極相連接；所述電極開關(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。2.根據權利要求1所述的多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，其特征在于：所述的電源(5)為電壓源或電流源。3.根據權利要求1所述的多自由度磁流體推進式水下懸浮粒子集群系統，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張淦，吳旭東，程明，花為，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32