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波浪能驱动的仿生智能浮标设计研究牛浩男

发表时间：2020/6/29 来源：《论证与研究》2020年5期作者：牛浩男

[导读] 摘要：海洋浮标是根据海洋水文气象预报、海洋资源开发而发展起来的一种新型现代化的海洋水文气象观测平台。为保证气象站能在恶劣的环境中进行长期、连续、全天候的工作，其供电系统必须稳定可靠。基于鲨鱼前进姿态下的尾巴外形，我们借助波浪能来研究仿生智能浮标。该浮标利用波浪的运动推动水面浮体平台产生往复运动，浮体平台漂浮在水面上，推进装置附近水域受波浪的影响较小，水况相对安稳，推进装置与水做相对的上下运动，将其

                                           牛浩男
                       （重庆交通大学航运与船舶工程学院重庆市 400074）
        摘要：海洋浮标是根据海洋水文气象预报、海洋资源开发而发展起来的一种新型现代化的海洋水文气象观测平台。为保证气象站能在恶劣的环境中进行长期、连续、全天候的工作，其供电系统必须稳定可靠。基于鲨鱼前进姿态下的尾巴外形，我们借助波浪能来研究仿生智能浮标。该浮标利用波浪的运动推动水面浮体平台产生往复运动，浮体平台漂浮在水面上，推进装置附近水域受波浪的影响较小，水况相对安稳，推进装置与水做相对的上下运动，将其中的作用力转换为水对推进装置水平方向的力，带动浮标前进。浮标控制方式分为两种：主动控制和被动控制，主动控制在被动控制的基础上利用惯导器件实现自主控制，得到实时的姿态、速度和位置信息。
        关键词：智能浮标   波浪能   仿生   自主控制
        1.引言
        海洋浮标是海洋环境立体观测系统和导向指引系统的重要组成部分。传统的海洋浮标一般通过缆绳依靠支持船只进行能源供应、信号传输和交换，需要水面船只的支持；或是依靠自身携带电池支持它的观测、和推进运动，大大限制了行动范围，存在着能源利用率低、动性能差、悬停能力差、振动和噪声大等缺点。如何突破海洋移动平台电池电量的限制成为当前需要解决的重要问题。
        2.设备结构及控制设计
        本浮标是基于鲨鱼前进姿态下的尾巴外形、提出采用仿生外形水翼的智能浮标，由水面浮体平台和水下推进装置构成，中间通过缆绳连接（如图所示）。其中水下推进装置是整个设备的动力源和核心机构，由推进装置基体、连杆和翼片组成。
        浮标的动力完全来自于水面浮体平台所吸引的波浪能，所以对水面浮体平台设计，应该尽可能降低波浪能吸收损耗。露出水面部分为流线型，尽量不要吃水太深，尾部采用近似V型，降低航行阻力。此外，浮体平台的受波面积越大越好，但过大会发生跨浪现象，造成波能损耗。其航行速度与波浪振幅、海面风速有关。设计过窄会造成湿面积偏大，增加摩擦阻力，阻力只考虑海水摩擦力和海水粘压阻力两个部分。
        水下的翼片是实现波浪能转换的核心构件。翼型的水动性能用表面速度和压力参数、翼型所处的迎角速度来描述。推进性能由翼片平面面积、升力系数、阻力系数以及水翼的限位近角决定。这种仿生外形水翼的推动性能、水动性能明显优于梯形外形水翼和椭圆外形水翼。针对不同负载能力浮标的水翼设计，其尺寸大小有所不同。水翼间距过大会出现流体扰流现象，导致推进性能降低。合理的设计尺寸、较低的摩擦消耗、足够的耐冲击强度会延长浮标在恶劣海水环境下的使用寿命。

        图1 浮标示意图
        3.系统设计原理
        波浪能直接作用在水面浮体平台上，水下推进装置所处位置的海水振幅远小于水面浮体平台位置的海水振幅，形成一定波浪势能差。浮标通过翼片的滑翔作用，吸收转化该势能差，促进装置前进，详细分析如下：
        浮标利用波浪的垂荡运动作为浮标的动力，如图所示为推进系统利用波浪能进行推进的原理图。当浮体所在位置波浪向波谷位置波动时，浮体处于随波浪下降的状态，水下推进装置随波下降，推进装置和其所在的水域产生上下相对运动，推进装置上的侧翼受水的阻力的作用转动到图中所示状态，水对翼片的作用力此时可分解为竖直向上的阻力和水平向右的推力，给予整个波浪能驱动系统水平向右的推力；当浮体所在位置波浪向波峰位置运动时，浮体处于随波浪上升的状态，水下推进装置受拉力随波上升，推进装置还和其所在的水域产生上下相对运动，推进装置上的侧翼受水的阻力的作用转动到图中所示状态，水对水翼的作用力此时可分解为竖直向下的阻力和水平向右的推力，给予整个波浪能驱动系统水平向右的推力。

        图2 水下推进机构推进原理图
        因此，不管浮体所在的位置处于波浪的上升阶段还是下降阶段，推进装置总是和其所在水域的水发生相对运动，其总是受到水平方向的力且保持同一方向不变，作为其前进的推力，拉动浮体前进，高效利用波浪能推进整个系统前进。水面上的浮体根据海浪的波动上下浮动，其上下动作可以为水下推进装置的翼片提供类似水翼上下挥拍的驱动力，将波浪能转化为可利用的机械能。
        4.结论
        1）在没有推进螺旋桨的情况下，以海洋中的波浪能为能量来源，可以在大范围海域活动，续航更持久更高效。
        2）利用波浪垂荡运动，推动水下推进机构叶片的摆动，产生水下推进装置在水平方向向前的升力，使水下推进装置以及水面浮体平台实现无外在能源供给的运动。
        3）仿生鲨鱼尾推进，具有巧妙的游动模式，推进效率高，低能耗，机动性能好。
        4）浮标控制方式分为两种：主动控制和被动控制，主动控制在被动控制的基础上利用惯导器件实现自主控制，得到实时的姿态、速度和位置信息。
        参考文献：
        [1]常宗瑜，戴源，常东辉,等.波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计[J].中国海洋大学学报:自然科学版, 2014, 44(4):100-103.
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        [7]波浪驱动的波浪能智能浮标研究现状及应用[J].海洋技术, 2014(33):117.