多活塞驱动式合成射流水下推进器

1.本发明属于水下推进器技术领域，具体而言，涉及多活塞驱动式合成射流水下推进器。


背景技术：

2.合成射流是一种利用非连续性射流进行流动控制的技术，具有仅对外输出动量而输出质量为零的特征，与连续性射流相比具有更高的推进效率，目前已有学者证明合成射流驱动方式可以在较长时间内密切跟踪缓慢移动的水下生物，并且不会对其造成伤害。国外研究人员从头足类生物身上获得灵感，提出了一种具有柔韧性身体结构的水下机器人，通过改变内部体积与横截面积实现可重复的射流推进，实验结果表明：该机器人可产生0.19n的最大推力和0.94body lengths/s的最大推进速度[c.christianson,y.cui,m.ishida,x.bi,q.zhu,g.pawlak,m.t.tolley,cephalopod-inspired robot capable of cyclic jet propulsion through shape change,bioinspir biomim,16(2021)016014.]。国防科技大学邓雄等人设计了一款具有平面二维矢量控制功能的单振动片双腔式合成射流激励器，通过调整振动膜片的激励信号与腔体尺寸改变两相邻孔口流体的速度与压强，使其具有二维平面矢量控制能力[邓雄,夏智勋,罗振兵,王林.合成双射流矢量特性影响因素分析[j].推进技术,2014,35(08):1131-1138.]。
[0003]
上述技术虽能产生有效推力，并可以在二维平面上实现矢量控制，但其产生的推力非常小，且无法在水下三维空间运动；对于柔韧性身体结构的水下机器人来说，需要不断更换不同形状的喷嘴才可以实现方向与姿态地控制，这在真实应用场景下是难以实现的，对于单振动片双腔式合成射流激励器来说，其只能实现二维平面的推力矢量控制，而振动片可以产生的推力非常小，无法称为有效的推进装置。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明提供一种多活塞驱动式合成射流水下推进器，能够解决其他推进装置推力较小，需要更换不同形状的喷嘴才可以实现方向与姿态地控制，实用价值低的问题。
[0005]
本发明是这样实现的：
[0006]
本发明提供多活塞驱动式合成射流水下推进器，其中，具有外壳、射流激励器、喷嘴以及三角连接杆，所述射流激励器为活塞式合成射流激励器，用于提供激励信号；所述外壳中密封包裹有3个所述射流激励器，3个所述射流激励器相互独立，用于提供不同的激励信号来获取不同的射流速度及压强，在三维空间上对该水下推进器进行矢量上的控制；所述外壳的顶部设置有3个通孔，所述通孔分别与3个所述射流激励器相对应；所述喷嘴也为3个，分别固定设置在所述外壳顶部对应所述通孔上，分别与所述射流激励器的顶部紧密连接；所述三角连接杆设置在所述外壳的底部，所述三角连接杆的一端穿过所述外壳同时与3个所述射流激励器的底部固定连接，所述三角连接杆用于将该水下推进器与水下机器人其
他装置部分连接。
[0007]
3个射流激励器分别提供频率不同、幅值不同以及信号不对称度等不同的激励信号来获取不同的射流速度和压强，在三维合成射流卷吸作用与合力矩的共同作用下实现三维空间上推力的矢量控制；
[0008]
通过设置外壳，用于保护固定在外壳内部的3个射流激励器，防止水进入到外壳内部，造成该推进器的损坏；通过设置喷嘴，方便流体的吸入和喷出，带动该推进器像海洋中乌贼、水母等运动方式快速移动，不断吸入与排出周围流体获取前进动量，具有相似的尾流结构，节省能量，不会对水下生物的生活环境产生影响；通过设置三角连接杆，将该推进器固定在水下机器人上，协同水下机器人共同对水下环境和生物进行探寻；通过设置射流激励器，推动该推进器移动；通过设置3个射流激励器，分别改变其激励信号，从而改变总推力的方向，在不改变推进器与机器人流体外形的前提下实现了水下机器人在三维空间上的矢量控制与姿态调整，节省能量，同时也并不影响水下生物的生活环境。
[0009]
在上述技术方案的基础上，本发明的多活塞驱动式合成射流水下推进器还可以做如下改进:
[0010]
其中，所述射流激励器包括活塞、激励固定杆、电机、延长杆、固定壁、连杆以及曲柄，所述活塞为圆柱形，所述活塞设置在所述外壳的内壁，所述活塞外壁直径与所述外壳内壁直径相适配；所述延长杆的一端固定在所述活塞的底部中心位置，所述延长杆的另一端活动设置有所述固定壁，所述固定壁用于固定连接所述射流激励器中的驱动部件；固定壁的底部中心固定连接有所述连杆，所述连杆的底部活动连接有所述曲柄，所述曲柄用于带动所述连杆作往复运动；所述激励固定杆的一侧前端与所述固定壁的侧壁固定连接，所述激励固定杆的一侧后端与所述曲柄的侧壁固定连接；所述激励固定杆的另一侧设置有所述电机，所述电机的输出轴与所述曲柄连接，所述电机用于带动所述连杆做圆周运动，在所述连杆以及所述曲柄共同组成的曲柄连接装置的作用后将所述曲柄的圆周运动转化为所述连杆的往复直线运动，带动所述活塞做往复直线运动。
[0011]
进一步的，所述活塞与所述射流激励器的外壳之间存在活动的空腔，所述空腔中预先装满流体，所述电机依次带动所述曲柄、所述连杆、所述延长杆移动，最终带动所述活塞在所述射流激励器的内部做直线往复运动，调整所述空腔的大小，用于推动该推进器移动。
[0012]
采用上述改进方案的有益效果为：通过在活塞与射流激励器的外壳之间设置装满流体的空腔，对空腔中流体的推动使得流体通过喷嘴喷射到外壳外部，对该水下推进形成推动力，推动其移动；同时流体喷射出去后的空腔中形成负压，将外界的流体继续吸入，重复上述过程，从而带动该水下推进器移动，不需要改变腔体形状与喷嘴类型，在使用过程中具有更高的机动性与便捷性。
[0013]
其中，3个所述射流激励器的结构均相同，相互至今分别呈120
°
均匀布置在所述外壳的内部。
[0014]
采用上述改进方案的有益效果为：通过设置3个射流激励器结构相同、互为120
°
均匀布置在外壳内部，分别改变其激励信号，从而改变总推力的方向，在不改变推进器与机器人流体外形的前提下实现了水下机器人在三维空间上的矢量控制与姿态调整，节省能量，同时也并不影响水下生物的生活环境。
[0015]
进一步的，所述活塞的上方嵌入圆环维密封圈安装配合孔壁，所述圆环维密封圈安装配合孔壁装配有第一密封圈和第二密封圈，所述第一密封圈与所述第二密封圈用于密封所述射流激励器中的空腔与下部驱动装置，同时用于给所述活塞的上下往复运动起到润滑作用。
[0016]
采用上述改进方案的有益效果为：通过设置第一密封圈以及第二密封圈，对射流激励器中的空腔与下部驱动装置密封，防止水进入驱动装置中，造成推进器的损坏，同时还能够对活塞的上下往复移动提供一定的润滑效果，方便该驱动装置推动空腔中流体的喷出和吸入，方便该水下推进器推动水下机器人移动。
[0017]
进一步的，所述活塞上开设有活塞孔，所述延长杆通过所述活塞孔与所述活塞活动连接，所述活塞孔用于固定由所述固定壁、所述连杆、所述曲柄以及所述激励固定杆和所述电机组成的活塞杆。
[0018]
采用上述改进方案的有益效果为：通过设置活塞孔，将连杆固定在活塞孔上，实现连杆腿活塞的推拉，方便活塞推动空腔中流体的喷出和吸入，方便该水下推进器推动水下机器人移动。
[0019]
其中，所述外壳采用钛合金材料制成。
[0020]
采用上述改进方案的有益效果为：通过设置外壳为钛合金材料制成，具有强度大、比重轻、耐高压、耐腐蚀的特点，方便该推进器在深海中推动小型水下机器人移动和转向，延长该推进器的使用寿命，防止其损坏，降低使用成本。
[0021]
其中，上述水下推进器具有以下操作步骤：
[0022]
s10：将上述水下推进器固定在不同重量、不同大小的小型水下机器人上，将其放置在不同密度、不同深度的水下进行测试，分别调整3个所述射流激励器的激励信号、以及所述电机带动所述曲柄转动的不同速率，控制变量，采集不同情况下上述水下推进器的转动角度和移动速度；
[0023]
s20：建立水下推进器移动转向神经网络模型，以该推进器固定的小型水下机器人的重量、大小、水下的密度、深度和激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及所述电机的不同转速为输入信号，以对应的水下推进器的转动角度和移动速度为输出作为训练；
[0024]
s30：将该水下推进器固定在水下机器人上，将推进器以及水下机器人放置在需要探测的水下环境中，将该水下机器人的重量、大小以及水下的密度、深度和需要转向的角度、移动的速度输入到该水下推进器移动转向神经网络模型中，得到相应的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及所述电机的不同转速；
[0025]
s40：将s30中得到的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及所述电机的不同转速输入到该推进器的控制模块中，控制该水下推进器移动和转向。
[0026]
采用上述方案的有益效果为：通过建立水下推进器移动转向神经网络模型，实现对水下推进器移动和转向的快速控制，方便对水下目标的追击，实现该水下推进器协助水下机器人对水下环境和生物的探寻。
[0027]
其中，所述s40中控制上述水下推进器移动的具体操作步骤包括：
[0028]
第一步：根据所述s30中得到的所述电机的转动速度调节所述电机的转速；
[0029]
第二步：由所述电机带动所述连杆做规定速度的圆周运动，转化为所述曲柄的直线往复运动，带动所述活塞进行往复运动，对所述射流激励器上部分的空腔中的流体进行
挤压，对该水下推进器产生动力，推动直线运动；
[0030]
第三步：控制电机向反方向转动，带动活塞向后方移动，将该推进器外部的流体吸入所述空腔中；
[0031]
第四步：重复上述步骤。
[0032]
其中，所述s40中控制上述水下推进器转向的具体操作步骤包括：
[0033]
第一步：在s30中根据转向角度的不同得到不同的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等；
[0034]
第二步：根据数值的不同调整3个所述射流激励器的激励信号，改变所述喷嘴处合成射流的速度与压强，产生卷吸与相互作用，调整该水下推进器转向不同的方向。
[0035]
与现有技术相比较，本发明提供的多活塞驱动式合成射流水下推进器的有益效果是：该水下推进器实现通过活塞往复运动来产生合成射流，具有结构简单、流量大、易于控制、成本低等优点；同时能够应用于水下机器人推进，在使用过程中喷嘴处射流只具有轴向动量而没有额外的径向动量，避免了能量的浪费，提高了能量利用率；这种活塞式合成射流水下推进器的推进方式与海洋中乌贼、水母的类似，均由不断吸入与排出周围流体获取前进动量，具有相似的尾流结构，其激励频率与乌贼、水母等原有的运动频率相近(1～2hz)，即使水下机器人近距离观察海洋生物也不会对其产生惊吓，不会威胁到较小水下生物的生命安全；该水下推进器的喷嘴处具有更大的流量与推进力，相对于连续射流有更高的能量利用率，射流在远离喷嘴过程中会对周围流体产生卷吸作用使推力增大，具有推力增强效应；采用3个结构相同的活塞式合成射流激励器呈120
°
均匀分布组成多活塞式合成射流水下推进器，通过控制激励信号(频率f、幅值a、不对称度δ)调整喷嘴处射流的速度与压强，从而改变总推力的方向，在不改变推进器与机器人流体外形的前提下实现了水下机器人在三维空间上的矢量控制与姿态调整，可以通过射流内部的相互作用实现总推力方向的控制，不需要改变腔体形状与喷嘴类型，在使用过程中具有更高的机动性与便捷性，是一种行之有效的水下机器人推进跟踪设备。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为多活塞驱动式合成射流水下推进器的结构示意图；
[0038]
图2为多活塞驱动式合成射流水下推进器的内部结构示意图；
[0039]
图3为射流激励器的立体结构示意图；
[0040]
图4为射流激励器的结构示意图；
[0041]
图5为活塞式合成射流激励器剖视图；
[0042]
图6为活塞的正视图；
[0043]
图7为活塞的剖面图；
[0044]
图8为多活塞驱动式合成射流水下推进器的使用流程图；
[0045]
图9为多活塞驱动式合成射流水下推进器方向控制流程图；
[0046]
图10为激励信号对活塞式合成射流激励器推力的影响；
[0047]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0048]
10、外壳；20、射流激励器；21、活塞；211、第一密封圈；212、第二密封圈；213、活塞孔；22、激励固定杆；23、电机；24、延长杆；25、固定壁；26、连杆；27、曲柄；30、喷嘴；40、三角连接杆。
具体实施方式
[0049]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0050]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0051]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0052]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0053]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0054]
如图1-7所示，是本发明提供的多活塞驱动式合成射流水下推进器的第一实施例，在本实施例中，具有外壳10、射流激励器20、喷嘴30以及三角连接杆40，射流激励器20为活塞式合成射流激励器，用于提供激励信号；外壳10中密封包裹有3个射流激励器20，3个射流激励器20相互独立，用于提供不同的激励信号来获取不同的射流速度及压强，在三维空间上对该水下推进器进行矢量上的控制；外壳10的顶部设置有3个通孔，通孔分别与3个射流激励器20相对应；喷嘴30也为3个，分别固定设置在外壳10顶部对应通孔上，分别与射流激励器20的顶部紧密连接；三角连接杆40设置在外壳10的底部，三角连接杆40的一端穿过外壳10同时与3个射流激励器20的底部固定连接，三角连接杆40用于将该水下推进器与水下机器人其他装置部分连接。
[0055]
3个射流激励器20分别提供频率不同、幅值不同以及信号不对称度等不同的激励信号来获取不同的射流速度和压强，在三维合成射流卷吸作用与合力矩的共同作用下实现三维空间上推力的矢量控制；
[0056]
使用时，分别调整3个射流激励器20的激励信号，如频率f、幅值a、信号不对称度δ等，改变喷嘴30处合成射流的速度与压强，使三个孔口的合成射流产生卷吸与相互作用，改变射流的运动方向，改变推力方向，带动该水下推进器转向。
[0057]
其中，在上述技术方案中，射流激励器20包括活塞21、激励固定杆22、电机23、延长杆24、固定壁25、连杆26以及曲柄27，活塞21为圆柱形，活塞21设置在外壳10的内壁，活塞21外壁直径与外壳10内壁直径相适配；延长杆24的一端固定在活塞21的底部中心位置，延长杆24的另一端活动设置有固定壁25，固定壁25用于固定连接射流激励器20中的驱动部件；固定壁25的底部中心固定连接有连杆26，连杆26的底部活动连接有曲柄27，曲柄27用于带动连杆26作往复运动；激励固定杆22的一侧前端与固定壁25的侧壁固定连接，激励固定杆22的一侧后端与曲柄27的侧壁固定连接；激励固定杆22的另一侧设置有电机23，电机23的输出轴与曲柄27连接，电机23用于带动连杆26做圆周运动，在连杆26以及曲柄27共同组成的曲柄连接装置的作用后将曲柄27的圆周运动转化为连杆26的往复直线运动，带动活塞21做往复直线运动。
[0058]
使用时，电机23带动曲柄27做圆周运动，从而带动连杆26做往复直线运动，使得活塞21在外壳10的内壁上做往复直线运动。其中，电机23可选用佛山市南海富泉液压气动批发部生产的型号为5hp-3a的电机。
[0059]
进一步的，在上述技术方案中，活塞21与射流激励器20的外壳之间存在活动的空腔，空腔中预先装满流体，电机23依次带动曲柄27、连杆26、延长杆24移动，最终带动活塞21在射流激励器20的内部做直线往复运动，调整空腔的大小，用于推动该推进器移动。
[0060]
使用时，电机23带动曲柄27做圆周运动，从而带动连杆26做往复直线运动，使得活塞21在外壳10的内壁上做往复直线运动，挤压空腔中的流体，对该水下推进器产生动力，推动直线运动；控制电机23向反方向转动，带动活塞21向后方移动，将该推进器外部的流体吸入空腔中；重复上述运动，持续带动该水下推进器移动。
[0061]
其中，在上述技术方案中，3个射流激励器20的结构均相同，相互至今分别呈120
°
均匀布置在外壳10的内部。
[0062]
进一步的，在上述技术方案中，活塞21的上方嵌入圆环维密封圈安装配合孔壁，圆环维密封圈安装配合孔壁装配有第一密封圈211和第二密封圈212，第一密封圈211与第二密封圈212用于密封射流激励器20中的空腔与下部驱动装置，同时用于给活塞21的上下往复运动起到润滑作用。
[0063]
进一步的，在上述技术方案中，活塞21上开设有活塞孔213，延长杆24通过活塞孔213与活塞21活动连接，活塞孔213用于固定由固定壁25、连杆26、曲柄27以及激励固定杆22和电机23组成的活塞杆。
[0064]
其中，在上述技术方案中，外壳10采用钛合金材料制成。
[0065]
如图7所示，上述水下推进器具有以下操作步骤：
[0066]
s10：将上述水下推进器固定在不同重量、不同大小的小型水下机器人上，将其放置在不同密度、不同深度的水下进行测试，分别调整3个射流激励器20的激励信号、以及电机23带动曲柄27转动的不同速率，控制变量，采集不同情况下上述水下推进器的转动角度和移动速度；
[0067]
s20：建立水下推进器移动转向神经网络模型，以该推进器固定的小型水下机器人
的重量、大小、水下的密度、深度和激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及电机23的不同转速为输入信号，以对应的水下推进器的转动角度和移动速度为输出作为训练；
[0068]
s30：将该水下推进器固定在水下机器人上，将推进器以及水下机器人放置在需要探测的水下环境中，将该水下机器人的重量、大小以及水下的密度、深度和需要转向的角度、移动的速度输入到该水下推进器移动转向神经网络模型中，得到相应的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及电机23的不同转速；
[0069]
s40：将s30中得到的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及电机23的不同转速输入到该推进器的控制模块中，控制该水下推进器移动和转向。
[0070]
其中，s40中控制上述水下推进器移动的具体操作步骤包括：
[0071]
第一步：根据s30中得到的电机23的转动速度调节电机23的转速；
[0072]
第二步：由电机23带动连杆26做规定速度的圆周运动，转化为曲柄27的直线往复运动，带动活塞21进行往复运动，对射流激励器20上部分的空腔中的流体进行挤压，对该水下推进器产生动力，推动直线运动；
[0073]
第三步：控制电机23向反方向转动，带动活塞21向后方移动，将该推进器外部的流体吸入空腔中；
[0074]
第四步：重复上述步骤。
[0075]
如图10所示，运动过程中活塞21在上止点la与下止点lb之间作往复循环直线运动，且空腔与外壳10与三角连接杆40固结，即在运动过程中始终保持相对静止状态；活塞下止点lb固定，上止点la的位置根据活塞21运动幅值a的不同而有所变化，活塞21运动幅值a由曲柄运动半径r决定(a≈2*r)。活塞在由下止点lb向上止点la运动过程中，空腔内的流体受到压缩作用，在挤压作用下从喷嘴30射出形成合成射流，并产生推力，射流在远离喷嘴30过程中不断对周围流体产生卷吸作用从而具有了推力增强效应，而且三股相对独立的合成射流之间由于速度合压强各不相同，相互之间会产生相互作用，导致射流偏离原轴向方向，利用仿真与实验得出的方向与作用规律便可以通过改变激励信号来控制总推力方向，推力大小由射流所具有的动量决定；当活塞21运动到上止点la位置后，便开始反向运动。此时，空腔内流体膨胀，腔内流体压强小于腔外，外部流体便通过喷嘴30进入空腔，此时由于流入的液体具有速度，所以变回激励器便会产生推力负值，当活塞10运动回下止点lb后，一个运动周期便完成，在一个周期内，流入流体流量与流出流体流量相等，而由于机械做功，流出流体动量大于流入流体动量，便使其具有仅对外输出动量而输出质量为零的特征，因此便不需要额外的容量存储装置。
[0076]
其中，s40中控制上述水下推进器转向的具体操作步骤包括：
[0077]
第一步：在s30中根据转向角度的不同得到不同的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等；
[0078]
第二步：根据数值的不同调整3个射流激励器20的激励信号，改变喷嘴30处合成射流的速度与压强，产生卷吸与相互作用，调整该水下推进器转向不同的方向。
[0079]
如图9所示，推进器有一个初始运动方向，当其跟踪某一水下生物时，水下生物运动方向便是其目标运动方向，其初始运动方向与目标运动方向的矢量角θ即为其需要调整的方向，接下来在不改变腔体形状与推进器流体外形的情况下分别调整三个活塞式合成射流激励器的激励信号，如频率f、幅值a、信号不对称度δ等，来改变孔口处合成射流的速度与
压强；首先，孔口处不同的流体压强会使三个孔口的合成射流产生卷吸与相互作用(例如：压强大的流体会向压强小的流体方向移动)，从而改变额射流的运动方向，进而改变了推力的方向；另外，不同的射流速度会获得不同的推力大小，在力矩的作用下也会改变总推力的有效作用方向。因此，在合成射流速度与压强变化的双重作用下，可以实现三维空间上的矢量控制功能。
[0080]
具体的，本发明的原理是：分别调整3个射流激励器20的激励信号，如频率f、幅值a、信号不对称度δ等，改变喷嘴30处合成射流的速度与压强，使三个孔口的合成射流产生卷吸与相互作用，改变射流的运动方向，改变推力方向，带动该水下推进器转向；电机23带动曲柄27做圆周运动，从而带动连杆26做往复直线运动，使得活塞21在所述外壳10的内壁上做往复直线运动，挤压空腔中的流体，对该水下推进器产生动力，推动直线运动；控制电机23向反方向转动，带动活塞21向后方移动，将该推进器外部的流体吸入空腔中；重复上述运动，持续带动该水下推进器移动。
[0081]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，具有外壳(10)、射流激励器(20)、喷嘴(30)以及三角连接杆(40)，所述射流激励器(20)为活塞式合成射流激励器，用于提供激励信号；所述外壳(10)中密封包裹有3个所述射流激励器(20)，3个所述射流激励器(20)相互独立，用于提供不同的激励信号来获取不同的射流速度及压强，在三维空间上对该水下推进器进行矢量上的控制；所述外壳(10)的顶部设置有3个通孔，所述通孔分别与3个所述射流激励器(20)相对应；所述喷嘴(30)也为3个，分别固定设置在所述外壳(10)顶部对应所述通孔上，分别与所述射流激励器(20)的顶部紧密连接；所述三角连接杆(40)设置在所述外壳(10)的底部，所述三角连接杆(40)的一端穿过所述外壳(10)同时与3个所述射流激励器(20)的底部固定连接，所述三角连接杆(40)用于将该水下推进器与水下机器人其他装置部分连接。2.根据权利要求1所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，所述射流激励器(20)包括活塞(21)、激励固定杆(22)、电机(23)、延长杆(24)、固定壁(25)、连杆(26)以及曲柄(27)，所述活塞(21)为圆柱形，所述活塞(21)设置在所述外壳(10)的内壁，所述活塞(21)外壁直径与所述外壳(10)内壁直径相适配；所述延长杆(24)的一端固定在所述活塞(21)的底部中心位置，所述延长杆(24)的另一端活动设置有所述固定壁(25)，所述固定壁(25)用于固定连接所述射流激励器(20)中的驱动部件；固定壁(25)的底部中心固定连接有所述连杆(26)，所述连杆(26)的底部活动连接有所述曲柄(27)，所述曲柄(27)用于带动所述连杆(26)作往复运动；所述激励固定杆(22)的一侧前端与所述固定壁(25)的侧壁固定连接，所述激励固定杆(22)的一侧后端与所述曲柄(27)的侧壁固定连接；所述激励固定杆(22)的另一侧设置有所述电机(23)，所述电机(23)的输出轴与所述曲柄(27)连接，所述电机(23)用于带动所述连杆(26)做圆周运动，在所述连杆(26)以及所述曲柄(27)共同组成的曲柄连接装置的作用后将所述曲柄(27)的圆周运动转化为所述连杆(26)的往复直线运动，带动所述活塞(21)做往复直线运动。3.根据权利要求2所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，所述活塞(21)与所述射流激励器(20)的外壳之间存在活动的空腔，所述空腔中预先装满流体，所述电机(23)依次带动所述曲柄(27)、所述连杆(26)、所述延长杆(24)移动，最终带动所述活塞(21)在所述射流激励器(20)的内部做直线往复运动，调整所述空腔的大小，用于推动该推进器移动。4.根据权利要求1所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，3个所述射流激励器(20)的结构均相同，相互至今分别呈120
°
均匀布置在所述外壳(10)的内部。5.根据权利要求2所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，所述活塞(21)的上方嵌入圆环维密封圈安装配合孔壁，所述圆环维密封圈安装配合孔壁装配有第一密封圈(211)和第二密封圈(212)，所述第一密封圈(211)与所述第二密封圈(212)用于密封所述射流激励器(20)中的空腔与下部驱动装置，同时用于给所述活塞(21)的上下往复运动起到润滑作用。6.根据权利要求2所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，所述活塞(21)上开设有活塞孔(213)，所述延长杆(24)通过所述活塞孔(213)与所述活塞(21)活动连接，所述活塞孔(213)用于固定由所述固定壁(25)、所述连杆(26)、所述曲柄(27)以及所述激励固定杆(22)和所述电机(23)组成的活塞杆。
7.根据权利要求1所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，所述外壳(10)采用钛合金材料制成。8.根据权利要求7所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，上述水下推进器具有以下操作步骤：s10：将上述水下推进器固定在不同重量、不同大小的小型水下机器人上，将其放置在不同密度、不同深度的水下进行测试，分别调整3个所述射流激励器(20)的激励信号、以及所述电机(23)带动所述曲柄(27)转动的不同速率，控制变量，采集不同情况下上述水下推进器的转动角度和移动速度；s20：建立水下推进器移动转向神经网络模型，以该推进器固定的小型水下机器人的重量、大小、水下的密度、深度和激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及所述电机(23)的不同转速为输入信号，以对应的水下推进器的转动角度和移动速度为输出作为训练；s30：将该水下推进器固定在水下机器人上，将推进器以及水下机器人放置在需要探测的水下环境中，将该水下机器人的重量、大小以及水下的密度、深度和需要转向的角度、移动的速度输入到该水下推进器移动转向神经网络模型中，得到相应的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及所述电机(23)的不同转速；s40：将s30中得到的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等以及所述电机(23)的不同转速输入到该推进器的控制模块中，控制该水下推进器移动和转向。9.根据权利要求8所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，所述s40中控制上述水下推进器移动的具体操作步骤包括：第一步：根据所述s30中得到的所述电机(23)的转动速度调节所述电机(23)的转速；第二步：由所述电机(23)带动所述连杆(26)做规定速度的圆周运动，转化为所述曲柄(27)的直线往复运动，带动所述活塞(21)进行往复运动，对所述射流激励器(20)上部分的空腔中的流体进行挤压，对该水下推进器产生动力，推动直线运动；第三步：控制电机(23)向反方向转动，带动活塞(21)向后方移动，将该推进器外部的流体吸入所述空腔中；第四步：重复上述步骤。10.根据权利要求8所述的多活塞驱动式合成射流水下推进器，其特征在于，所述s40中控制上述水下推进器转向的具体操作步骤包括：第一步：在s30中根据转向角度的不同得到不同的激励信号的频率、幅值、信号不对称度等；第二步：根据数值的不同调整3个所述射流激励器(20)的激励信号，改变所述喷嘴(30)处合成射流的速度与压强，产生卷吸与相互作用，调整该水下推进器转向不同的方向。

技术总结
本发明提供了多活塞驱动式合成射流水下推进器，属于水下推进器技术领域，该多活塞驱动式合成射流水下推进器具有外壳、射流激励器、喷嘴以及三角连接杆，射流激励器为活塞式合成射流激励器，用于提供激励信号；外壳中密封包裹有3个射流激励器，3个射流激励器相互独立，用于提供不同的激励信号来获取不同的射流速度及压强，在三维空间上对该水下推进器进行矢量上的控制；外壳的顶部设置有3个通孔，通孔分别与3个射流激励器相对应；喷嘴也为3个，分别固定设置在外壳顶部对应通孔上，分别与射流激励器的顶部紧密连接；该水下推进器具有空间矢量控制功能，可以产生较大的推动力，能够实现水下机器人的移动和转向。现水下机器人的移动和转向。现水下机器人的移动和转向。


技术研发人员：张立军 甘振威 刘世博 张强 周继续 马哲 王杭 李明 李陆宽 张晓东 贺庆强 刘延鑫 姜浩 杨宁
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.02.02
技术公布日：2023/4/20