本發(fā)明屬于水下推進(jìn)動(dòng)力領(lǐng)域，涉及一種多自由度磁流體推進(jìn)式水下懸浮粒子集群系統(tǒng)，適合于任意粒子單元數(shù)量、任意編隊(duì)形式的粒子集群系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

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(fā)展，以更好的適應(yīng)其所生存的環(huán)境。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們期望借助計(jì)算機(jī)程序的形式創(chuàng)造出一些新型的智能體，于是對(duì)人類的大腦活動(dòng)、生物物種的社會(huì)行為以及生物界的進(jìn)化過程進(jìn)行了模擬研究。實(shí)踐表明，基于自然生態(tài)系統(tǒng)模擬而形成的演化計(jì)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(tǒng)的靈感來解決許多實(shí)際問題，并構(gòu)造和設(shè)計(jì)出許多智能仿生優(yōu)化算法。其中包括模擬生物界中自然選擇和遺傳機(jī)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(dòng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬哺乳動(dòng)物免疫系統(tǒng)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(gè)體在三維空間中運(yùn)動(dòng)，因此難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或分析。例如，雖然可以采用微型四軸直升機(jī)陣列對(duì)鳥群進(jìn)行模擬，但是需要消耗大量能源和算法來克服重力，以實(shí)現(xiàn)懸浮。而采用機(jī)械魚對(duì)魚群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬的可行性也非常差，首先，單個(gè)機(jī)械魚的靈活性難以比擬真實(shí)魚類，個(gè)體的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行累加和放大后，導(dǎo)致對(duì)集群整體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果不具可信性；再次，單個(gè)的機(jī)械魚的控制非常復(fù)雜，采用集群運(yùn)動(dòng)后的控制難度將進(jìn)一步提高，制約其可行性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明提供了一種具備懸浮功能和高度調(diào)控靈活性的多自由度磁流體推進(jìn)式水下粒子集群系統(tǒng)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種多自由度磁流體推進(jìn)式水下懸浮粒子集群系統(tǒng)，該集群系統(tǒng)由多個(gè)粒子單元組成，一個(gè)粒子單元包括勵(lì)磁裝置、表面電極、電極開關(guān)、絕緣不導(dǎo)磁基座和電源；該勵(lì)磁裝置和表面電極位于在絕緣不導(dǎo)磁基座上，且該勵(lì)磁裝置和表面電極交錯(cuò)分布，即相鄰的兩個(gè)勵(lì)磁裝置之間有一個(gè)表面電極；勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)方向與該粒子單元的外表面法向平行，相鄰的兩個(gè)勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)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(huán)境相接觸；任意一個(gè)表面電極均通過一個(gè)電極開關(guān)與電源相連接，所述電極開關(guān)有三種工作狀態(tài)包括關(guān)斷狀態(tài)、與電源正極相連接、與電源負(fù)極相連接；該電極開關(guān)相互獨(dú)立工作；勵(lì)磁裝置和相鄰的表面電極在空間排布上形成一個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)，稱推力圓環(huán)，一個(gè)粒子單元共有三個(gè)推力圓環(huán)，且三個(gè)推力圓環(huán)所在平面兩兩垂直。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的電源為電壓源或電流源。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的電源為直流電源或交流電源。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的一個(gè)表面電極具有三種工作狀態(tài)，即不通電、與電源正極連接、與電源負(fù)極連接，一個(gè)表面電極在同一時(shí)刻只能處于上述三種工作狀態(tài)中的一種。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的任意兩個(gè)表面電極均相互獨(dú)立工作。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的勵(lì)磁裝置為永磁體、電勵(lì)磁裝置或混合勵(lì)磁裝置。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的絕緣不導(dǎo)磁基座為球形、橢球形或其他凸面體結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的粒子單元還包括用于反饋粒子單元的位置信號(hào)和姿態(tài)信號(hào)的位置傳感器和陀螺儀、控制單個(gè)粒子單元的運(yùn)動(dòng)方向和空間姿態(tài)的控制器。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的位置傳感器為深度傳感器、全球?qū)Ш窖b置或聲吶定位裝置。

有益效果：本發(fā)明提出了一種多自由度磁流體推進(jìn)式水下懸浮粒子集群系統(tǒng)，通過巧妙地將勵(lì)磁裝置和電極交錯(cuò)排布在球形絕緣不導(dǎo)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(gòu)成集群系統(tǒng)，在對(duì)集群系統(tǒng)的模擬和分析領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.現(xiàn)有技術(shù)對(duì)集群行為的模擬，在三維空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，常借助微型多軸無人機(jī)進(jìn)行模擬，這需要消耗大量的系統(tǒng)能源來克服重力，且對(duì)單個(gè)無人機(jī)的控制非常復(fù)雜；而在本發(fā)明中，通過合理選擇絕緣不導(dǎo)磁基座的材質(zhì)，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(tǒng)的復(fù)雜程度和控制難度，尤其便于對(duì)集群行為的模擬和進(jìn)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(fā)明中，一個(gè)球形粒子單元具有三條推力圓環(huán)，每條推力圓環(huán)均可產(chǎn)生方向一致的推力，三條推力圓環(huán)的推力兩兩垂直，因此一個(gè)球形粒子單元的推力有三個(gè)自由度，分別沿正交直角坐標(biāo)系的X、Y、Z方向。這極大提升了單個(gè)球形粒子單元的運(yùn)動(dòng)靈活性，便于構(gòu)建集群系統(tǒng)。

3.本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)，推力產(chǎn)生方式為磁流體推進(jìn)式，無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可以使得采用本發(fā)明技術(shù)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(huán)上，可以避免傳統(tǒng)的集中式推力對(duì)水流的擾動(dòng)，這在對(duì)水下生物進(jìn)行靜默跟蹤時(shí)具有極大優(yōu)勢(shì)，可以避免對(duì)水下生物的干擾，進(jìn)行長時(shí)間靜默跟蹤、監(jiān)測(cè)、觀察。

4.本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)中，當(dāng)勵(lì)磁裝置采用永磁體時(shí)，可減小球形粒子單元的體積，提高系統(tǒng)效率，緩解發(fā)熱情況，進(jìn)而降低對(duì)電源容量的需求。

5.本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)中，勵(lì)磁裝置和表面電極等主要發(fā)熱部件與周圍環(huán)境直接接觸，提高了系統(tǒng)散熱效率。

6.本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)中，一個(gè)球形粒子單元具有極高的容錯(cuò)運(yùn)行性能，即勵(lì)磁裝置和表面的電極的部分損壞不影響球形粒子的繼續(xù)運(yùn)行。

7.本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)中，一個(gè)球形粒子單元的勵(lì)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(hù)性高，在維修時(shí)僅需替換損壞部位，維修成本低、時(shí)間短。

綜合上述可知，本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器在集群行為模擬、水生生物監(jiān)測(cè)、水下巡航、水生生物仿生學(xué)研究等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)球形粒子單元的示意圖，其中有：勵(lì)磁裝置1、表面電極2、絕緣不導(dǎo)磁基座4；

圖2是圖1的前視圖，其中有勵(lì)磁裝置1、表面電極2、電極開關(guān)3、球形絕緣不導(dǎo)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(fā)明中，一個(gè)球形粒子單元的磁流體推力原理示意圖；

圖4是本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)的平面集群模式示意圖；

圖5是本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)的波浪狀曲面集群模式示意圖；

圖6是本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)的管狀集群模式示意圖；

圖7是本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)的立方體集群模式示意圖；

圖8是本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)的螺旋線集群模式示意圖；

圖9是本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)的脫氧核糖核酸(DNA)雙螺旋狀集群模式示意圖。

具體實(shí)施方式

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

本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)的一個(gè)球形粒子單元包括勵(lì)磁裝置1、表面電2極、電極開關(guān)3、球形絕緣不導(dǎo)磁基座4、電源5、控制器6、位置傳感器7、陀螺儀8；勵(lì)磁裝置1和表面電極2交錯(cuò)分布，即相鄰的兩個(gè)勵(lì)磁裝置1之間有一個(gè)表面電極2；勵(lì)磁裝置1和表面電極2位于在球形絕緣不導(dǎo)磁基座4上；勵(lì)磁裝置1的磁場(chǎng)方向與粒子單元的外表面法向平行，相鄰兩個(gè)勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)方向相反；表面電極2分布在粒子單元外表面上，與外界環(huán)境相接觸；任意一個(gè)表面電極2均通過一個(gè)電極開關(guān)3與電源5相連接；所述電極開關(guān)3有三種工作狀態(tài)，即關(guān)斷狀態(tài)、與電源5正極相連接、與電源5負(fù)極相連接；各電極開關(guān)3相互獨(dú)立工作；所述的勵(lì)磁裝置1和相鄰的表面電極2在空間排布上形成一個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)，稱推力圓環(huán)，一個(gè)球形粒子共有三個(gè)推力圓環(huán)，且三個(gè)推力圓環(huán)所在平面兩兩垂直。

此粒子集群系統(tǒng)由任意數(shù)量的球形粒子單元構(gòu)成，各球形粒子單元獨(dú)立工作。

此粒子集群系統(tǒng)的電源為電壓源或電流源。

此粒子集群系統(tǒng)的電源為直流電源或交流電源。

此粒子集群系統(tǒng)的一個(gè)表面電極具有三種工作狀態(tài)，即不通電、與電源正極連接、與電源負(fù)極連接，一個(gè)表面電極在同一時(shí)刻只能處于上述三種工作狀態(tài)中的一種。

此粒子集群系統(tǒng)的表面電極相互獨(dú)立工作。

此粒子集群系統(tǒng)的勵(lì)磁裝置為永磁體、電勵(lì)磁裝置或混合勵(lì)磁裝置。

此粒子集群系統(tǒng)的位置傳感器為深度傳感器、全球?qū)Ш窖b置或聲吶定位裝置。

此粒子集群系統(tǒng)的絕緣不導(dǎo)磁基座為球形、橢球形或其他凸面體結(jié)構(gòu)。

圖3是本發(fā)明中，一個(gè)球形粒子單元的磁流體推力的產(chǎn)生原理，根據(jù)洛倫茲力的產(chǎn)生原理，當(dāng)勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)方向和表面電極的通電方式如圖3所示時(shí)，可以產(chǎn)生沿Z軸負(fù)方向的洛倫茲力，此洛倫茲力推動(dòng)周圍水流運(yùn)動(dòng)，反作用力推動(dòng)水下裝置沿Z軸正方向運(yùn)動(dòng)。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(jié)合位置傳感器和陀螺儀反饋的球形粒子單元的位置信號(hào)和姿態(tài)信號(hào)，由控制器發(fā)出指令，控制單個(gè)球形的運(yùn)動(dòng)方向和空間姿態(tài)。由勵(lì)磁裝置和相鄰的表面電極在空間排布上構(gòu)成一個(gè)圓環(huán)狀，該推力圓環(huán)產(chǎn)生的電磁推力方向相同，沿圓環(huán)所在平面的法向。一個(gè)球形粒子單元共有三條推力圓環(huán)，三條圓環(huán)所在平面兩兩垂直，因此所產(chǎn)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(gè)自由度，分布沿正交直角坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸。

圖4是本發(fā)明的磁流體集群系統(tǒng)的平面集群模式示意圖。此時(shí)，各球形粒子單元在空間排布上呈現(xiàn)為平面狀，可應(yīng)用于對(duì)二維集群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬，例如鳥類遷徙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖5是本發(fā)明的磁流體集群系統(tǒng)的波浪狀曲面集群模式示意圖。此時(shí)，各球形粒子單元在空間排布上呈現(xiàn)為波浪狀，可用于對(duì)單個(gè)水生生物的魚鰭運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬和分析。

圖6是本發(fā)明的磁流體集群系統(tǒng)的管狀集群模式示意圖。此時(shí)，各球形粒子單元在空間排布上呈現(xiàn)為管狀，可用于魚群監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

圖7是本發(fā)明的磁流體集群系統(tǒng)的立方體集群模式示意圖。此時(shí)，各球形粒子單元在空間排布上呈現(xiàn)為立方體狀，可應(yīng)用于對(duì)魚群規(guī)避行為、覓食行為等的模擬。

圖8是本發(fā)明的磁流體集群系統(tǒng)的螺旋線集群模式示意圖，為便于觀察，在圖中添加了運(yùn)動(dòng)軌跡線。此時(shí)，各球形粒子單元在空間排布上呈現(xiàn)為螺旋線狀，可用于對(duì)條狀水下生物，例如海鰻的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬。

圖9是本發(fā)明的磁流體集群系統(tǒng)的DNA雙螺旋狀集群模式示意圖。此時(shí)，各球形粒子單元在空間排布上呈現(xiàn)為DNA雙螺旋狀陣列，可應(yīng)用于大分子生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的分子狀態(tài)模擬，例如DNA的運(yùn)動(dòng)和進(jìn)化規(guī)律、雙螺旋碳納米管的合成研究等。

本發(fā)明磁流體推進(jìn)式水下懸浮粒子集群系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模式包括，但不限于圖4至圖9所示的運(yùn)動(dòng)模式。本發(fā)明的粒子集群系統(tǒng)，非但適用于宏觀集群行為的模擬和水生生物的觀察、監(jiān)測(cè)，還可以應(yīng)用于對(duì)單個(gè)生物個(gè)體的仿生學(xué)研究，并且在大分子生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。