CN102806985B - 仿生机器鱼船舶推进结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶的一种结构，特别是涉及船舶航行的推进方式的革新。仿生机器鱼船舶推进结构，包括仿生机器鱼，其特征在于；在外船体的底部，排列配置多个仿生机器鱼。所述多个仿生机器鱼，其中位于左右两侧的为转向仿生机器鱼(1)，其余位于中间的为推进仿生机器鱼(2)。所述推进仿生机器鱼(2)为鱼尾(a)部分可左右两侧来回摆动的推进结构，中部有两个上下中空的连接体(b)与船体连接；所述转向仿生机器鱼(1)是在推进仿生机器鱼(2)的尾部配置可旋转360度的螺旋桨(e)结构，中部有一个连接体(b)与船体连接，尾部多关节不摆动。本发明颠覆了传统螺旋桨推进方式，利用仿鱼尾摆动方式推进，具有水下多体推进、噪声低、环保、对海洋生物无危害等特点。

Description

仿生机器鱼船舶推进结构

技术领域

本发明涉及船舶的一种结构，特别是涉及船舶航行的推进方式的革新。

背景技术

鱼类和鲸类等哺乳动物的游动方式具有高速、高效、灵活、低噪等特点，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率, 也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。依靠尾和鳍的协调摆动,一方面,普通鱼类的游动推进效率可达80% 以上,鱼参科鱼类的推进效率超过90% , 而普通的推进器的平均效率只有40～50%; 另一方面,海豚可轻易地以20节的速度跟随船只游弋,黄鳍鲔鱼的速度可达40节，接近每小时80公里；而梭子鱼更可以用20g的加速度迅速起动来掠取猎物。鱼类在水中运动的完美性吸引生物学家研究鱼类的运动机理，机器人学者则希望制造出和真鱼一样的人工机器鱼。近年来仿生水下机器人技术已经成为重要研究方向之一，它基于仿生学原理，通过对鱼类游动机理的研究，利用机械结构、电子设备和功能材料来卡发模仿鱼类的操纵和推进方式，并将其应用于水下机器人。对水下机器人的研究主要分两个方面，一是对机器鱼本身的研究，主要是其推进及摆动方式研究；二是对机器鱼的水动力研究。

对机器鱼的推进及摆动方式研究已有较大成果，例如：摆动式柔性关节的仿生机器鱼(申请号：200520068383.2)，波动仿生机器鱼(申请号：200610051785.0），仿鱼尾推进系统的机械传动装置（申请号：200520020571.8），这些装置的动力源均为电机，需要使用运动机构，因此带来振动、噪声机械损耗等问题，同时不可避免密封的问题。还有一种技术为电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置(申请号：200710072620.6），这种推进装置不需要电机，而采用永磁体产生的电磁场使鱼尾摆动，它具有结构简单、噪声低、震动小，不需要动密封等优点。

对机器鱼研究的另外一个方向是水动力性能研究，对于以鱼参科模型和月牙尾推进的情形, 波状摆动主要集中于后体, 而后体段逐渐缩小形成尾柄, 然后连接展长较大的尾鳍, 波幅剧烈增大. 基于线化理论的解体方法已不能处理, 研究主要用实验方法. 典型的工作是MIT 的Traintafyllow 等有关水翼(二维翼剖面) 作的摆动的实验, 表明在一定的频率、振幅等参数组合下, 推进效率可以接近90%; 他们还用物体在摆动水翼前产生尾涡以模拟鱼身的尾迹, 表明了摆动尾鳍可利用这些旋涡,进一步提高推力和推进效率,使得人们对鱼类的高效推进机理的认识提高了一大步。

对于急剧激动,如爆发启动、快速转弯的鱼类,也有了一些研究Wolfgang 等人1999年用DPIV方法的流动显示方法, 显示了产生快速机动时伴随有体涡与尾鳍的相互作用。

1996 年MIT 的Barrett 等对摆动鱼体的减阻进行了研究，他们对自行研制的一条实验用的6由度仿生机器鱼在水槽中进行了拖曳实验。测试了阻力降低的效果对于五个参数(即相位角,波长,冲击角,尾迹宽度,Strouhal数) 的变化所受的影响，证明阻力降低对两个因素敏感，一个是身体的波动速度超过运动速度U；另一个是Strouhal数只能在一定范围内(0.12—0.35)运动。在一定条件下，阻力最大可以降低约70%。他们同时运用数字仿真对流场进行了仿真，得到许多有用的结果，对鱼体游动机理的实验和理论研究有着非常重要的意义。

船舶通常使用常规螺旋桨作为推进方式，常规螺旋桨存在能耗高、综合效率低、噪音大等缺点，对于豪华邮轮等对舒适性要求较高的船舶，这样的缺陷尤为突出，使得船舶的推进方式急需改进，如何将仿生鱼的先进技术应用在船舶上，是摆在船舶科技工作者面前富有挑战性的课题。

发明内容

本发明的目的是将仿生先进技术应用在船舶上，提供一种仿生机器鱼的船舶推进结构，以增大船舶在水中的推进力，加快行速，减少和节省能耗。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

仿生机器鱼船舶推进结构，包括由前部为燃料舱，中部为连接系统，尾部为多关节鱼尾推进系统三部分组成的仿生机器鱼，其特征在于；

在外船体的底部，排列配置多个仿生机器鱼。

进一步，所述多个仿生机器鱼，其中位于左右两侧的为转向仿生机器鱼，其余位于中间的为推进仿生机器鱼。

进一步，在外船体的底部排列配置大于8个仿生机器鱼,其中位于左右两侧，前后各1个，合计4个为转向仿生机器鱼，其余位于中间大于4个的为推进仿生机器鱼。

再进一步，所述推进仿生机器鱼为鱼尾部分可左右两侧来回摆动的推进结构，中部有两个上下中空的连接体与船体连接；

所述转向仿生机器鱼是在推进仿生机器鱼的尾部配置可旋转360度的螺旋桨结构，中部有一个上下中空的连接体与船体连接，尾部多关节不摆动。

再进一步，各推进仿生机器鱼位于外船体底部的菱形网格交点，菱形的前后夹角为40至20度，菱形的边长为1—3个推进仿生机器鱼长度。

再进一步，转向仿生机器鱼的长度为推进仿生机器鱼长度的0.5—0.8倍。

再进一步，所述推进仿生机器鱼的长度为55米，最宽处宽度为12.5米，最高处高度为9米； 

所述转向仿生机器鱼的长度为27米，最宽处宽度为6米，最高处高度为4.5米。

再进一步，所述转向仿生机器鱼的外侧有可伸缩的减摇鳍。

采用本发明技术方案仿生机器鱼船舶推进结构，多个推进仿生机器鱼由鱼尾作为推进系统，通过鱼尾的摆动为船舶提供前进动力；两侧的转向仿生机器鱼尾部装有螺旋桨，可360度回转，能为船舶倒驶、转向提供动力；各仿生机器鱼与水面以上船体连接部分，每个推进仿生机器鱼有两个中空连接体与船体连接，每个转向仿生机器鱼有一个中空连接体与船体连接，可保证连接线路以及人员的上下走动，同时保证了刚性强度；仿生机器鱼群驱动可用智能控制系统进行控制，用于驱动鱼尾摆动，并根据鱼体表明的感应体传达的波压发出控制指令，使鱼群的摆动有条不紊。

推进仿生机器鱼鱼体的尺寸一致，两侧转向仿生机器鱼鱼体的尺寸一致，转向仿生机器鱼鱼体的长度尺寸、体积小于推进仿生机器鱼的鱼体，所有仿生机器鱼鱼体的总排水量足以提供水面以上的船体所需的浮力。

多个推进仿生机器鱼以菱形风格的形式错开分布，按本发明限定的几何长度距离配置，根据研究和试验表明，这样的分布有利于减小仿生机器鱼群的阻力，提高推进效率。

推进仿生机器鱼的鱼尾为仿生鱼尾，由多关节结构组成，各关节段部可以装磁铁，通过永磁体的磁极变化使其左右摆动，端部为月牙形尾鳍，前2/3部分为刚体，内部放置驱动鱼尾摆动的永磁体，可参照电磁驱动多关节仿生鱼尾推进装置(申请号：200710072620.6)，从而使鱼尾的摆动幅度和频率得到调节。转向仿生机器鱼的内部，即配置成本发明的多个鱼群所处一侧的外侧有可伸缩的减摇鳍，内有驱动螺旋桨的电机，当船舶需要较好的平衡时，减摇鳍伸出，当船舶在平静海域航行时，减摇鳍可收回。

本发明根据鱼群减阻的仿生学原理，对船舶水下部分采用多体鱼推进方式，这种水下多体鱼群推进系统，包括水下部分推进仿生机器鱼和两侧的转向仿生机器鱼，鱼体通过刚性中空链接结构与水面以上船体链接，通过位于水面以上甲板内的鱼群控制驱动系统进行驱动控制鱼群的游动。如今的计算机控制技术，根据航行需要和海面情况控制推进仿生机器鱼和转向仿生机器鱼的动作已是一项很成熟的可行技术了。

本发明的有益效果是：本发明颠覆了传统螺旋桨推进方式，利用仿鱼尾摆动方式推进，对以往研究成果进行组合基础上进行创新设计，使其可用于大型船舶，具有高效率、噪声低、环保、对海洋生物无危害等特点，是传统螺旋桨所无法比拟的，可用于对舒适性要求较高的船型如客船、豪华邮轮等，本技术具有技术创新的特点，填补了本领域国内外的技术空白，为今后大力发展仿生机器鱼在船舶推进中的应用开创和提供了基础。

附图说明

图1为本发明仿生机器鱼船舶推进结构的一种实施方式，在外船体的底部排列配置多个仿生机器鱼水下配置的俯视图，显示转向仿生机器鱼外侧减摇鳍展开的状态，并显示了网格配置的形式；

图2为本发明一实施例中推进仿生机器鱼的俯视图；

图3为本发明一实施例中推进仿生机器鱼的主视图，也即水平观察图；

图4为本发明一实施例中转向仿生机器鱼的俯视图；

图5为本发明仿生机器鱼船舶推进结构的一种实施方式，在外船体的底部排列配置多个仿生机器鱼水下配置的俯视图，显示推进仿生机器鱼尾部摆动瞬间状态；

图6为本发明仿生机器鱼船舶推进结构的一种实施方式，在外船体的底部排列配置多个仿生机器鱼水下配置的俯视图，显示转向仿生机器鱼呈向一侧旋转的状态。

图中，1是转向仿生机器鱼，2是推进仿生机器鱼，3是减摇鳍，a是鱼尾，b是连接体，c是中部，d是前部，e是螺旋桨，α是菱形网格的前后夹角，L是菱形网格的边长。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细地描述：

仿生机器鱼船舶推进结构，包括由前部d为燃料舱，中部c为连接系统，尾部a为多关节鱼尾推进系统三部分组成的仿生机器鱼， 

在外船体的底部，排列配置多个仿生机器鱼。

所述多个仿生机器鱼，其中位于左右两侧的为转向仿生机器鱼1，其余位于中间的为推进仿生机器鱼2。

在外船体的底部排列配置大于8个仿生机器鱼,其中位于左右两侧，前后各1个，合计4个为转向仿生机器鱼1，其余位于中间大于4个的为推进仿生机器鱼2。

所述推进仿生机器鱼2为鱼尾a部分可左右两侧来回摆动的推进结构，中部有两个上下中空的连接体b与船体连接；

所述转向仿生机器鱼1是在推进仿生机器鱼2的尾部配置可旋转360度的螺旋桨e结构，中部有一个上下中空的连接体b与船体连接，尾部多关节不摆动，可为刚性体。

各推进仿生机器鱼2位于外船体底部的菱形网格交点，菱形的前后夹角α为40至20度，菱形的边长L为1—3个推进仿生机器鱼2长度。

转向仿生机器鱼1的长度为推进仿生机器鱼2长度的0.5—0.8倍。

所述推进仿生机器鱼2的长度为55米，最宽处宽度为12.5米，最高处高度为9米； 

所述转向仿生机器鱼1的长度为27米，最宽处宽度为6米，最高处高度为4.5米。

所述转向仿生机器鱼1的外侧有可伸缩的减摇鳍3。

结合附图实施例，仿生机器鱼船舶推进结构由多个单个鱼体组成，推进仿生机器鱼2共10个相同尺寸的大鱼体，长为55米，最宽处宽度为12.5米，高度最高为9米，机器鱼体的前部开始的2/3为刚性体，中部中间通过中空连接结构与主船体相连，尾部为可摆动结构。转向仿生机器鱼1为小鱼体共4个，尺度相同，长为27米，最宽处宽度为6米，小鱼体最高为4.5米。小鱼体为刚性体，内置可伸缩减摇鳍，尾部带有螺旋桨，通过中空连接结构与主船体相连，可360度回转；推进仿生机器鱼大鱼体和转向仿生机器鱼小鱼体总排水量近3万吨。

推进仿生机器鱼2大鱼体之间错开分布，前后距离为31米，左右间距为9米；转向仿生机器鱼1小鱼体位于推进仿生机器鱼2大鱼体的两侧；小鱼体前后间距为46米；推进仿生机器鱼2与小鱼体之间横向间距为2.5米。根据研究表明，这样的分布有利于减小鱼体阻力，提高推进效率。

仿生机器鱼与水上主船体的前连接体，为中空刚性结构，长度为10米，宽度为7米，高度为2米左右，外形根据水流做成流线形，以减小阻力，仿生机器鱼与水上主船体的后连接体，剖面近似圆形，直径达8米，高度为2米左右，两个连接体内部有足够的空间供电缆，通风以及人通行。

附图5为鱼尾摆动的瞬时图，一半推进仿生机器鱼2大鱼体向左摆动的同时，另一半大鱼体向右摆动，从而整个鱼群，整条船舶向前运动。

附图6，当船舶需要转向时，推进仿生机器鱼2保持静止，转向仿生机器鱼1以连接体为轴进行转动，转动到所需角度后，启动螺旋桨，从而使主船体转向或调头。

Claims (6)

1.仿生机器鱼船舶推进结构，包括由前部(d)为燃料舱，中部(c)为连接系统，尾部(a)为多关节鱼尾推进系统三部分组成的仿生机器鱼，其特征在于；

在外船体的底部，排列配置多个仿生机器鱼；

所述多个仿生机器鱼，其中位于左右两侧的为转向仿生机器鱼(1)，其余位于中间的为推进仿生机器鱼(2)；

所述推进仿生机器鱼(2)为鱼尾(a)部分可左右两侧来回摆动的推进结构，中部有两个上下中空的连接体(b)与船体连接；

所述转向仿生机器鱼(1)是在推进仿生机器鱼(2)的尾部配置可旋转360度的螺旋桨(e)结构，中部有一个上下中空的连接体(b)与船体连接，尾部多关节不摆动。

2.根据权利要求1所述仿生机器鱼船舶推进结构，其特征在于在外船体的底部排列配置大于8个仿生机器鱼,其中位于左右两侧，前后各1个，合计4个为转向仿生机器鱼(1)，其余位于中间大于4个的为推进仿生机器鱼(2)。

3.根据权利要求1或2所述仿生机器鱼船舶推进结构，其特征在于各推进仿生机器鱼(2)位于外船体底部的菱形网格交点，菱形的前后夹角(α)为40至20度，菱形的边长(L)为1—3个推进仿生机器鱼(2)长度。

4.根据权利要求1或2所述仿生机器鱼船舶推进结构，其特征在于转向仿生机器鱼(1)的长度为推进仿生机器鱼(2)长度的0.5—0.8倍。

5.根据权利要求1或2所述仿生机器鱼船舶推进结构，其特征在于：

所述推进仿生机器鱼(2)的长度为55米，最宽处宽度为12.5米，最高处高度为9米；

所述转向仿生机器鱼(1)的长度为27米，最宽处宽度为6米，最高处高度为4.5米。

6.根据权利要求1或2所述仿生机器鱼船舶推进结构，其特征在于所述转向仿生机器鱼(1)的内部有可伸缩的减摇鳍(3)。