1.一种基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,仿生鱼包括基体和胸鳍,其特征在于,所述基体包括仿生外壳(6)、中心舱(1)和对称设置在中心舱两侧的供电舱,所述中心舱(1)为密封结构,中心舱(1)的重心调节辅助装置(11)靠近仿生鱼的头部滑动设置,改变中心舱的重心位置,用于控制头部的俯仰角;所述供电舱包括密封法兰、舱体、浮力重心调节装置和进/排水法兰,密封法兰、舱体和浮力重心调节装置形成密封结构,浮力重心调节装置靠近仿生鱼的尾部滑动设置,改变浮力重心调节装置和进/排水法兰一侧的排水量,用于控制供电舱的浮力和重心位置;仿生外壳(6)设有进/排水口;
潜浮控制方法包括以下步骤:
预设蝠鲼式仿生鱼的初始状态为悬浮状态,该状态下设置在中心舱左侧的供电舱和右侧的供电舱的浮力重心调节装置的活塞位置分别为xl0和xr0,对应活塞行程的中间位置,定义活塞向外推动时为正方向,行程最大位置分别为xl0+xmax和xr0+xmax,行程最小位置分别为xl0‑xmax和xr0‑xmax,重心调节辅助装置的锂电池组所处位置为xa0,xa0对应第一锂电池组行程的中间位置,定义锂电池组向前推动时为正方向,行程最大位置为xa0+xamax,行程最小位置为xa0‑xamax,柔性胸鳍处于初始水平位置,蝠鲼式仿生鱼当前浮力f浮等于当前重力G;
胸鳍由两个CPG控制单元控制;CPG模型为
其中,ai、bi和xi为第i个振荡器的幅值、偏移量与相位;i=1,2,3,4分别为与蝠鲼式仿生鱼左后、左前、右后和右前侧舵机相对应的相位振荡器;Ai与Bi分别为第i个振荡器的期望幅值与期望偏移量;αi与βi分别为幅值与偏移量的收敛系数;fi为摆动频率;μij为第i个振荡器与第j个振荡器之间的耦合系数;xj为第j个振荡器当前的相位; 为第i个振荡器与第j个振荡器之间的相位差;θi为第i个相位振荡器输出的舵机角度;
定义距离目标深度阈值ε1、ε2、ε3,其中,ε1为蝠鲼式仿生鱼执行下潜任务或上浮任务时从快速下潜阶段切换到慢速滑翔下潜阶段或从快速上浮阶段切换到慢速滑翔上浮阶段的距离目标深度阈值;ε2为蝠鲼式仿生鱼从慢速滑翔下潜阶段切换到接近目标微调下潜阶段或从慢速滑翔上浮阶段切换到接近目标微调上浮阶段的距离目标深度阈值;ε3为蝠鲼式仿生鱼从接近目标微调下潜阶段或接近目标微调上浮阶段切换到抵达目标深度的距离目标深度阈值;
通过目标深度dtar与当前深度dt的差值大小|dtar‑dt|与距离目标深度阈值ε1、ε2、ε3进行比较,进而切换到不同的上浮或下潜阶段。
2.根据权利要求1所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,当(dtar‑dt)>0时,执行下潜任务;
当|dtar‑dt|≥ε1时,进入快速下潜阶段,活塞从初始的中间位置线性移动至行程最小位置,排水量减小至最小值,蝠鲼式仿生鱼的浮力由中性浮力调整至最小浮力,此时浮力f浮小于重力G,重心前移,蝠鲼式仿生鱼由水平姿态调整为头部指向水底的姿态,并以此姿态朝着水底下潜,胸鳍以前后固定相位差 固定幅值Ai1、固定频率fi1和值为零的幅值偏置Bi扑动,为蝠鲼式仿生鱼提供沿着头部指向方向即竖直向下的推力,实现蝠鲼式仿生鱼的快速下潜,直至ε1>|dtar‑dt|≥ε2;
当ε1>|dtar‑dt|≥ε2时,进入慢速滑翔下潜阶段,CPG控制器控制胸鳍调整至初始位置,中心舱的重心调节辅助装置的锂电池组的位置为xadown为蝠鲼式仿生鱼的重心逐渐后移,且当|dtar‑dt|=ε2时,重心调节辅助装置的锂电池组的位置调整至行程最小位置xa0‑xamax,蝠鲼式仿生鱼的重心回到初始状态下的中心位置;在此过程中,蝠鲼式仿生鱼的俯仰姿态由竖直向下向上偏转并最终达到水平姿态;而蝠鲼式仿生鱼保持最小浮力继续下潜,蝠鲼式仿生鱼在慢速滑翔下潜阶段以向下减速滑翔并逐渐水平的姿态下潜,直至ε2>|dtar‑dt|≥ε1;
当ε2>|dtar‑dt|≥ε3时,进入接近目标微调下潜阶段,胸鳍保持初始水平位置,活塞从行程最小位置线性移动至靠近行程最小位置的 行程位置;同时,将重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至靠近行程最小位置的 行程位置,蝠鲼式仿生鱼的重心保持初始状态下的中心位置,蝠鲼式仿生鱼以水平姿态缓慢下潜,直至|dtar‑dt|<ε3;
当|dtar‑dt|<ε3时,进入抵达目标深度阶段,活塞性移动至中间位置,重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至中间位置,蝠鲼式仿生鱼以水平姿态悬停在目标深度或实现水底软着陆,任务完成。
3.根据权利要求1所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,当即(dtar‑dt)<0时,判断蝠鲼式仿生鱼当前距水底的距离Dt是否超出距离水底的安全距离ξ;
若Dt<ξ,则蝠鲼式仿生鱼保持胸鳍初始位置,活塞线性移动至靠近行程最大位置的行程位置,将重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至靠近行程最大位置的 行程位置,蝠鲼式仿生鱼以水平姿态缓慢上浮,直至Dt>ξ;
当Dt>ξ时,蝠鲼式仿生鱼已超出距水底的安全距离,执行上浮任务;
当|dtar‑dt|≥ε1时,进入快速上浮阶段,活塞从中间位置线性移动至行程最大位置,蝠鲼式仿生鱼的浮力由中性浮力调整至最大浮力,此时浮力f浮大于重力G,重心后移,蝠鲼式仿生鱼由水平姿态调整为头部向上指向水面的姿态,并以此姿态朝着水面上浮,此时,蝠鲼式仿生鱼利用所设计的基于相位振荡器的CPG控制器实现柔性胸鳍以前后固定相位差固定幅值Ai1、固定频率fi1和值为零的幅值偏置Bi扑动,为蝠鲼式仿生鱼提供沿着头部指向方向即竖直向上的推力,实现蝠鲼式仿生鱼的快速上浮,直至ε1>|dtar‑dt|≥ε2;
当ε1>|dtar‑dt|≥ε2时,进入慢速滑翔上浮阶段,胸鳍调整至初始位置,中心舱的重心调节辅助装置的锂电池组的位置xaup为该过程中,蝠鲼式仿生鱼的重心逐渐前移,且当|dtar‑dt|=ε2时,重心调节辅助装置的锂电池组的位置调整至行程最大位置xa0+xamax,蝠鲼式仿生鱼的重心回到初始状态下的中心位置;在此过程中,蝠鲼式仿生鱼的俯仰姿态逐渐由竖直向上向下偏转并最终达到水平姿态;而蝠鲼式仿生鱼保持最大浮力继续上浮,向上减速滑翔并逐渐水平的姿态上浮,直至ε2>|dtar‑dt|≥ε1;
当ε2>|dtar‑dt|≥ε1时,进入接近目标微调上浮阶段,胸鳍保持初始水平位置,活塞从行程最大位置线性移动至靠近行程最大位置的 行程位置,同时,将重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至靠近行程最大位置的 行程位置,蝠鲼式仿生鱼的重心保持初始状态下的中心位置,蝠鲼式仿生鱼以水平姿态缓慢上浮,直至|dtar‑dt|<ε3;
当|dtar‑dt|<ε3时,进入抵达目标深度阶段,活塞线性移动至中间位置,重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至中间位置,蝠鲼式仿生鱼以水平姿态悬停在目标深度,任务完成。
4.根据权利要求1所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,所述重心调节辅助装置(11)包括密封舱法兰(111)、直线舵机和配重单元,配重单元位于密封舱法兰(111)内,直线舵机通过连接板和支架安装在密封舱法兰(111)外侧,直线舵机的伸缩杆与配重单元连接,控制配重单元的位置。
5.根据权利要求4所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,所述配重单元包括第一锂电池组(118)、固定支座和安装板,固定支座和安装板通过连接杆连接,第一锂电池组(118)安装在固定支座上。
6.根据权利要求1所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,中心舱(1)还包括控制系统(12)、中心舱中间舱体(13)、中心舱后密封法兰(14)和中心舱后端盖(15)。
7.根据权利要求1所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,浮力重心调节装置包括直线舵机、第二锂电池组(447)、活塞和活塞密封圈。
8.根据权利要求1所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法,其特征在于,供电舱两端设有数字舵机,胸鳍通过鳍条和连接支座与数字舵机连接;
每个数字舵机配备一个CPG控制单元。