[发明专利]一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼

说明书

本发明实施例涉及一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器。本发明通过控制尾部推进模块实现身体/尾鳍式的水下仿鱼推进，通过调节变结构胸鳍机构实现仿生机器飞鱼空中的滑翔运动以及快速溅落式入水运动，通过控制尾部推进模块与俯仰胸鳍机构间的配合实现水空跨介质过渡的出水运动，通过检测传感器检测周围环境，通过控制器控制仿生飞鱼运动模式。本发明有益效果为：本发明兼具水下高速、高机动性游动及空中滑翔的水空两栖跨介质运动能力，采用小型化和轻量化设计，有效降低成本及能量消耗，同时有效提高了水下运动性能及推进效率，实现低扰动游动并缩短了跨介质过渡时间。

技术领域

本发明涉及水空两栖跨介质机器人领域，具体涉及一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼。

背景技术

水空两栖跨介质机器人是在空气介质和水体环境中同时具备生存能力的海空一体化机器人，它能够在水和空气两种不同的流体介质间进行运动过渡，并且在两种介质中具备运动能力，它融合了水下航行器的强隐蔽性和空中飞行器的高机动性等优势，在海上侦察、监视、通信中继等军事领域和海洋灾难搜救、生态环境监测、海洋资源探索等民事领域具有广泛的应用前景。

国内外的科研人员积极开展了水空两栖跨介质机器人的探索和研究工作，目前水空两栖跨介质机器人还处于概念设计、关键技术和功能验证以及样机制作阶段，已有的水空两栖跨介质机器人样机较少，且大多采用螺旋桨推进的方式实现水空介质之间的过渡，具有水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及跨介质过渡时间长等缺点，给水空跨介质任务的执行带来诸多不便，鉴于水空跨介质任务对过渡过程的较高要求，因此需要提出跨介质航行器快速、高效地实现水空介质过渡的新技术方案。

飞鱼是一种具有快速、高机动游动能力以及跃出水面在空中进行滑翔运动的海洋鱼类，拥有高超的运动技能。在水下，飞鱼将可折叠的胸鳍紧贴在身体两侧，减小水中的阻力，依靠身体尾部和尾鳍进行快速推进，能够以10m/s(约20～40倍体长/秒)的速度跃出水面。一旦身体出水，飞鱼展开胸鳍，并以高达35Hz的摆动频率继续拍动处于水中的尾鳍下叶，在水面继续加速滑行，最终达到将近20m/s的速度完全跃出水面。然后，开始在空中进行滑翔运动，距离可以达到50m。当滑翔至水面时，飞鱼将尾鳍再次浸入水中，进行快速摆动，在水面进行加速滑行，实现连续的滑翔飞行运动，飞鱼高超的运动技巧能够有效地躲避捕食者并同时提高运动效率，这些高超的运动能力是其他鱼类所不能具备的。

飞鱼优异的水空两栖跨介质运动能力，吸引了仿生机器人领域研究人员的广泛关注，他们试图将飞鱼高效的跨介质运动机制应用到仿生机器人中，研制出具有出色运动性能的水空两栖跨介质机器人。一方面，与螺旋桨推进的跨介质航行器相比，仿生机器飞鱼采用鱼类摆尾式的仿生推进方式，具有高效、高机动、低扰动等优点，具备更好的水下运动性能，从而更适合在狭窄、复杂的水下环境中进行监测、搜索、救援等作业；另一方面，仿生机器飞鱼采用高速游动的方式跃出水面进行滑翔运动，具有快速实现水空介质过渡的能力以及节省能量、高效航行的特点。近年来，国内外的一些研究机构对仿生机器飞鱼开展了研究，但是并没有研制出能够依靠尾部推进实现水空两栖跨介质运动的仿生机器飞鱼样机。

仿生机器飞鱼采用摆尾式的推进方式跃出水面，实现水空两栖跨介质运动，该过程需要很快的游动速度，因此需要具有大推进力的驱动机构，同时，仿生机器飞鱼出水速度和体长密切相关，空中滑翔距离和质量相关，因此，需要设计一种新型的具有高功率密度(尺寸小、质量轻、功率高)的驱动推进系统。仿生机器飞鱼要实现水下的高速游动以及空中的滑翔运动，需要设计一种新的变结构胸鳍机构，以满足不同介质航行的结构兼容性要求，具体地，在水中能够紧紧贴合在身体两侧，减小水中运动的阻力，实现快速游动；在空中能够展开胸鳍，提供升力满足长距离滑翔运动的要求；而在入水过程中，需要满足结构强度的要求。