一種基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置及其控制方法
【專利摘要】一種基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，該裝置主要由燃料供給系統和脈沖式反應系統組成。其中，燃料供給系統實現單組元燃料存儲和流量調控；單組元燃料順序通過脈沖式反應系統中的入口高頻開關閥和催化劑床，燃料在催化劑作用下由液態分解為氣態，使催化劑床內壓力迅速上升。整個過程可以分成三段：輸入階段，即入口高頻開關閥開啟，出口高頻開關閥關閉；反應階段，即入口、出口高頻開關閥均關閉；噴射階段，即出口處高頻開關閥開啟，入口高頻開關閥關閉。裝置根據輸出力需求，利用熱力學和流體力學公式獲得流量泵流量和入口、出口高頻開關閥PWM控制信號占空比等參數取值，產生持續的脈沖噴射效果。該脈沖式仿生動力裝置具有高功率密度、環境友好、結構簡單和高效率等優點，適用于外骨骼機器人和噴氣背包等設備的動力系統。
【專利說明】
-種基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置及其控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置及其控制方法置，適用于 外骨骼機器人和噴氣背包動力裝置。
【背景技術】
[0002] 外骨骼機器人可跟隨人體運動，并承擔主要負荷，進而增強人體機能，而噴氣背包 是實現人類飛行和運動助力的有效途徑之一。為實現能源自治，提高實用化水平，WHAkS、 腳LC、X0S、BLEEX和Je化ack、Madin為代表的外骨骼機器人和噴氣背包普遍采用電池、汽油 機作動力帶動電機或液壓驅動系統。其中，裡電池作為應用最廣泛的動力形式，相對較低的 能量密度限制了其長時間使用;燃料電池技術不斷發展，已具有較高的能量密度和功率密 度，然而高昂的成本和有害基底物質排放等缺陷還有待于解決；內燃機具有最高的能量密 度和功率密度，是最理想的外骨骼機器人和噴氣背包動力系統，但是，其噪音、效率、污染等 問題短期內難W突破。此外，上述外骨骼機器人和噴氣背包用傳統動力系統，難W在能量轉 化系統復雜性和燃料能量密度間取得平衡，運也成為制約外骨骼機器人和和噴氣背包續航 能力提升的原理性障礙。因此，對于本領域技術人員而言，有必要開發一種高功率密度、環 境友好、結構簡單和高效率的新型動力系統，W在外骨骼機器人和和噴氣背包系統中推廣 應用。

【發明內容】

[0003] 本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種高功率密度、高效率、 結構簡單、無污染的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置及其控制方法。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明包括W下內容：
[0005] -種基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，包括單組元燃料供給系統和脈沖式 反應系統，所述單組元燃料供給系統包括儲罐、流量累，所述脈沖式反應系統包括入口高頻 開關閥、催化劑床、壓力傳感器、出口高頻開關閥、控制器和噴嘴，所述儲罐通過流量累與催 化劑床的入口連接，所述催化劑床的出口與噴嘴連接，催化劑床的入口和出口分別安裝有 入口高頻開關閥和出口高頻開關閥，所述催化劑床上安裝有監控催化劑床內壓力變化的壓 力傳感器，所述壓力傳感器的信號端與控制器連接，所述控制器的信號端與入口高頻開關 閥、出口高頻開關閥和流量累連接，所述控制器控制入口高頻開關閥和出口高頻開關閥的 占空比W及流量累的流量大小。
[0006] 所述控制器為PWM控制器。
[0007] 所述儲罐內的單組元燃料為也化，優選濃度高于30 %的也化。
[0008] 所述流量累的輸出流量為10毫升/秒到200毫升/秒。
[0009] 所述入口高頻開關閥和出口高頻開關閥的頻率為IHz到50化。
[0010] 所述催化劑床內部有效體積為50毫升至500毫升。
[0011] 所述催化劑床內使用儘基擔載型顆粒狀催化劑。
[0012] 所述噴嘴有效截面積為50平方毫米至500平方毫米。
[0013] 一種脈沖式仿生動力裝置控制方法，包括如下步驟：
[0014] a、前期準備，根據載物的重量設定噴口推力期望值為Fe;選取燃料濃度IK燃料摩 爾數N、入口高頻開關閥的PWM信號頻率fi、催化劑床體積V、出口高頻開關閥的PWM信號頻率 f 2、出口高頻開關閥開口半徑rout、噴嘴有效截面積At、噴口噴射系數Cd、大氣壓力Po、氣體密 度P、理想氣體常數R、催化劑床內溫度T、入口高頻開關閥的HVM信號占空比Cl和出口高頻開 關閥的PWM信號占空比知根據下方公式：
[001 引 F = PXAt 公式(1)
[0016]
[0017] 公式a)
[0018] 將Fe的值代入公式（1)
的F中，使用變步長常微分方程數值解法，優選四階-五階 Runge-Kutta算法，計算出流量累期望流量值Q設為Qe,并將其設定為當前流量累的流量值；
[0019] b、輸入階段，將入口高頻開關閥開啟，出口高頻開關閥關閉；利用壓力傳感器檢測 催化劑床內壓力為Pa,將Pa的值代入公式(1)的P中，計算得到實際推力Fa;
[0020] 當噴口推力偏差值A F= I Fa-Fe I大于5%時，將A F的值代入公式(1)的F中得至化的 值，再帶入公式(2)，計算出流量微調量Q設為A Q，設定下一個循環的流量累的優化流量為 Q〇 = Qe± AQ;
[002。 當噴口推力偏差值A F= I Fa-Fe I小于5%時，將A F的值代入公式(1)的F中得至化的 值，并將P帶入下方公式：
[0022]
公式（3)
[0023] 使用變步長常微分方程數值解法，優選四階-五階Runge-Kutta算法，計算出入口 高頻開關閥占空比微調量Cl設為A Cl,設定下一個循環的入口高頻開關閥優化占空比ClD = Ci± ACi;
[0024] C、反應階段，當催化劑床進入足量燃料后，將入口高頻開關閥和出口高頻開關閥 均關閉進行反應；
[0025] d、噴射階段，當燃料在催化劑作用下反應完成后，開啟出口高頻開關閥，關閉入口 局頻開關閥；
[00%] e、重復步驟b、c、d，不斷修正推力偏差值AF，直至噴口推力偏差值AF小于1%，然 后保持此時流量累的流量和入口高頻開關閥的占空比即可保持噴口推力的穩定。
[0027]本發明的上述技術方案主要是基于W下原理:銷翅目昆蟲一氣步甲依靠連續噴射 高壓刺激性分泌物防御天敵，通過解剖和動物試驗發現其防御機制源自體內獨特的生物功 能結構。氣步甲噴射動力系統由柔性燃料室和剛性反應室組成，腺體內合成的也化(濃度達 到25%)存儲在燃料室內，并在肌肉擠壓下通過類單向閥結構進入反應室，也〇2在生物酶的 催化作用下迅速分解釋放出氧氣和高溫水蒸氣，當壓力超過反應室噴口類單向閥結構設定 壓力后向外噴出，此時燃料室單向閥關閉。上述過程循環進行，產生脈沖噴射效果。氣步甲 的脈沖噴射過程(最高頻率達到2000化）可有效降低燃料室所需驅動壓力，同時增加此化在 催化劑床內駐留時間，提升其催化分解效率，并且降低連續反應過程所引起的過熱。
[0028] 本發明通過控制入口高頻開關閥和出口高頻開關閥的快速開啟和關閉的循環，實 現脈沖噴射效果，利用出化高功率密度、高能量密度W及穩定、無毒的物化特性，通過催化劑 的快速反應(催化劑的快速反應利用儘基催化劑的橋接作用，降低催化反應所需活化能，極 大提高反應速率，可達l(T3s，保證噴射的連續性），特別是其直接將化學能轉化為機械能的 獨特優勢，從而保證能提供穩定的推動，與現有技術相比，具有高功率密度、環境友好、結構 簡單和高效率等優點，適用于外骨骼機器人和噴氣背包等設備的動力系統。
[0029] 此外，通過本控制方法，可根據人體運動頻率和助力幅值要求，獲得優化的累流 量、PWM信號占空比和催化劑床體積等系統參數取值，并在系統工作階段通過系統參數調整 自動補償輸出誤差(低于1%)。利用本控制方法，在實現脈沖噴射效果的同時，能夠有效降 低上游燃料供應壓力，減少催化劑床體積，提升催化分解效率，并且降低連續反應過程所引 起的過熱，保證反應的持續穩定。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本裝置的結構簡圖。
[0031 ]圖2為本發明實施例1中入口高頻開關閥PWM信號
[0032] 圖3為本發明實施例1中出口高頻開關閥PWM信號
[0033] 圖4為本發明實施例1中輸出力隨時間變化曲線。
[0034] 圖5為本發明實施例2中入口高頻開關閥PWM信號
[0035] 圖6為本發明實施例2中出口高頻開關閥PWM信號
[0036] 圖7為本發明實施例2中輸出力隨時間變化曲線。
【具體實施方式】
[0037] W下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。
[0038] -種基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，包括單組元燃料供給系統和脈沖式 反應系統，所述單組元燃料供給系統包括儲罐1、流量累2,所述脈沖式反應系統包括入口高 頻開關閥3、催化劑床4、壓力傳感器5、出口高頻開關閥6、PWM控制器8和噴嘴7,所述儲罐1通 過流量累2與催化劑床4的入口連接，所述催化劑床4的出口與噴嘴7連接，催化劑床4的入口 和出口分別安裝有入口高頻開關閥3和出口高頻開關閥6,所述催化劑床4上安裝有監控催 化劑床內壓力變化的壓力傳感器5,所述壓力傳感器5的信號端與PWM控制器8連接，所述PWM 控制器8的信號端與入口高頻開關閥3、出口高頻開關閥6和流量累2連接，所述PWM控制器8 控制入口高頻開關閥和出口高頻開關閥的占空比W及流量累的流量大小。
[0039] 所述儲罐內的單組元燃料為出化，優選濃度高于30 %的出化。所述流量累的輸出流 量為10毫升/秒到200毫升/秒。所述入口高頻開關閥和出口高頻開關閥的頻率為IHz到 50Hz。所述催化劑床內部有效體積為50毫升至500毫升。所述催化劑床內使用儘基擔載型顆 粒狀催化劑。所述噴嘴有效截面積為50平方毫米至500平方毫米。
[0040] 實施例1:
[0041] 具體設計一種如圖I所示的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，包括W下內 容：
[0042] (1)裝置包括燃料供給系統和脈沖式反應系統，燃料供給系統包括儲罐、流量累； 脈沖式反應系統包括入口高頻開關閥、催化劑床、壓力傳感器、出口高頻開關閥、Pmi控制 器、噴嘴。儲罐通過流量累與催化劑床的入口連接，催化劑床的出口與噴嘴連接，催化劑床 的入口和出口分別安裝有入口高頻開關閥和出口高頻開關閥，催化劑床上安裝有監控催化 劑床內壓力變化的壓力傳感器，壓力傳感器的信號端與HVM控制器連接，Pmi控制器的信號 端與入口高頻開關閥、出口高頻開關閥和流量累連接。
[0043] (2)動力裝置流體器件均安裝快速接頭，通過氣素樹脂管依次連接。
[0044] (3)設定噴口推力期望值為Fe為34N，輸出頻率為20化。
[0045] (4)使用濃度4為90%的出化作為單組元燃料。
[0046] (5)催化劑床內使用平均粒度2mm的儘基擔載型顆粒狀催化劑。
[0047] (6)高頻開關閥(包括入口和出口高頻開關閥fi、f2)頻率選取20化。
[0048] (7)選取催化劑床內部有效體積V為50毫升。
[0049] (8)選取噴嘴有效截面積At為50平方毫米。
[0050] (9)選取入口、出口高頻開關閥占空比Cl和C2分別為0.31和0.3。
[0051 ] (10)利用
[0052] F = PXAt 公式（1)
[0化3] 「00541
公式（2)
[0055] 計算出流量累期望流量值Qe為200毫升/秒。
[0056] (11)將入口高頻開關閥開啟，出口高頻開關閥關閉；利用壓力傳感器檢測催化劑 床內壓力，利用公式（1)計算得到實際推力Fa為35N。
[0057] (12)將噴口推力偏差值AF(IN)代入公式(1)，計算入口高頻開關閥占空比：
[0化引
公式任)
[0059] 計算出入口高頻開關閥占空比微調量A Cl為0.01，設定下一個循環的入口高頻開 關閥優化占至比CiD為0.3。
[0060] (13)重復步驟（11)-(12),計算出實際噴口推力為34.2N，滿足輸出力誤差要求。圖 2、3所示為入口、出口高頻開關閥PWM信號，圖4所示為輸出力隨時間變化曲線。
[0061 ] 實施例2:
[0062]具體設計一種如圖1所示的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，包括W下內 容：
[0063] (I)裝置包括燃料供給系統和脈沖式反應系統，燃料供給系統包括儲罐、流量累； 脈沖式反應系統包括入口高頻開關閥、催化劑床、壓力傳感器、出口高頻開關閥、Pmi控制 器、噴嘴。儲罐通過流量累與催化劑床的入口連接，催化劑床的出口與噴嘴連接，催化劑床 的入口和出口分別安裝有入口高頻開關閥和出口高頻開關閥，催化劑床上安裝有監控催化 劑床內壓力變化的壓力傳感器，壓力傳感器的信號端與HVM控制器連接，Pmi控制器的信號 端與入口高頻開關閥、出口高頻開關閥和流量累連接。
[0064] (2)動力裝置流體器件均安裝快速接頭，通過氣素樹脂管依次連接。
[0065] (3)設定噴口推力期望值為Fe為19N，輸出頻率為IHz。
[0066] (4)使用濃度4為60%的出化作為單組元燃料。
[0067] (5)催化劑床內使用平均粒度2mm的儘基擔載型顆粒狀催化劑。
[0068] (6)高頻開關閥(包括入口和出口高頻開關閥f 1、f2)頻率選取IHz。
[0069] (7)選取催化劑床內部有效體積V為100毫升。
[0070] (8)選取噴嘴有效截面積At為50平方毫米。
[0071 ] (9)選取入口、出口高頻開關閥占空比Cl和C2分別為0.3和0.2。
[0072] (10)利用公式(1)和公式(2)計算出流量累期望流量值Qe為18毫升/秒。
[0073] (11)將入口高頻開關閥開啟，出口高頻開關閥關閉；利用壓力傳感器檢測催化劑 床內壓力，利用公式（1)計算得到實際推力Fa為17N。
[0074] (12)將噴口推力偏差值AF(2N)代入公式（1)和公式(2)，
[0075] 計算出流量累微調流量A Q為2毫升/秒，設定下一個循環的流量累的優化流量Qd 為20毫升/秒。
[0076] (13)重復步驟(11)-(12),計算出實際噴口推力為18.9N，滿足輸出力誤差要求。圖 5、6所示為入口、出口高頻開關閥PWM信號，圖7所示為輸出力隨時間變化曲線。
【主權項】
1. 一種基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，包括單組元燃料供給系統和脈沖式反 應系統，所述單組元燃料供給系統包括儲罐、流量累，所述脈沖式反應系統包括入口高頻開 關閥、催化劑床、壓力傳感器、出口高頻開關閥、控制器和噴嘴，其特征在于:所述儲罐通過 流量累與催化劑床的入口連接，所述催化劑床的出口與噴嘴連接，催化劑床的入口和出口 分別安裝有入口高頻開關閥和出口高頻開關閥，所述催化劑床上安裝有監控催化劑床內壓 力變化的壓力傳感器，所述壓力傳感器的信號端與控制器連接，所述控制器的信號端與入 口高頻開關閥、出口高頻開關閥和流量累連接，所述控制器控制入口高頻開關閥和出口高 頻開關閥的占空比W及流量累的流量大小。2. 根據權利要求1所述的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，其特征在于，所述控 制器為PWM控制器。3. 根據權利要求2所述的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，其特征在于，所述儲 罐內的單組元燃料為出化，優選濃度高于30 %的出化。4. 根據權利要求3所述的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，其特征在于，所述流 量累的輸出流量為10毫升/秒到200毫升/秒。5. 根據權利要求4所述的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，其特征在于，所述入 口高頻開關閥和出口高頻開關閥的頻率為IHz到50化。6. 據權利要求5所述的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，其特征在于，所述催化 劑床內部有效體積為50毫升至500毫升。7. 根據權利要求6所述的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，其特征在于，所述催 化劑床內使用儘基擔載型顆粒狀催化劑。8. 根據權利要求7所述的基于單組元燃料的脈沖式仿生動力裝置，其特征在于，所述噴 嘴有效截面積為50平方毫米至500平方毫米。9. 一種脈沖式仿生動力裝置控制方法，用于控制權利要求1至8之一的脈沖式仿生動力 裝置，其特征在于:包括如下步驟： a、 前期準備，根據載物的重量設定噴口推力期望值為Fe;選取燃料濃度Φ、燃料摩爾數N、 入口高頻開關閥的PWM信號頻率f 1、催化劑床體積V、出口高頻開關閥的PWM信號頻率f 2、出口 高頻開關閥開口半徑rout、噴嘴有效截面積At、噴口噴射系數Cd、大氣壓力Po、氣體密度P、理 想氣體常數R、催化劑床內溫度T、入口高頻開關閥的PWM信號占空比ξι和出口高頻開關閥的 PWM信號占空比;根據下方公式：將Fe的值代入公式（1)的F中，使用變步長常微分方程數值解法，優選四階-五階Runge- Kutta算法，計算出流量累期望流量值Q設為Qe，并將其設定為當前流量累的流量值； b、 輸入階段，將入口高頻開關閥開啟，出口高頻開關閥關閉；利用壓力傳感器檢測催化 劑床內壓力為Pa，將Pa的值代入公式(1 )的P中，計算得到實際推力Fa ; 當噴口推力偏差值A F = I Fa-Fe I大于5%時，將Δ F的值代入公式（1)的F中得到P的值， 再帶入公式(2)，計算出流量微調量Q設為Δ Q，設定下一個循環的流量累的優化流量為Qd = Qe± AQ; 當噴口推力偏差值A F = I Fa-Fe I小于5%時，將Δ F的值代入公式（1)的F中得到P的值， 并將P帶入下方公式：使用變步長常微分方程數值解法，優選四階-五階Runge-Kutta算法，計算出入口高頻 開關閥占空比微調量ξι設為A ξι，設定下一個循環的入口高頻開關閥優化占空比ξ?η = ξ?± Αξι； c、 反應階段，當催化劑床進入足量燃料后，將入口高頻開關閥和出口高頻開關閥均關 閉進行反應； d、 噴射階段，當燃料在催化劑作用下反應完成后，開啟出口高頻開關閥，關閉入口高頻 開關閥； e、 重復步驟b、c、d，不斷修正推力偏差值AF，直至噴口推力偏差值AF小于1%，然后保 持此時流量累的流量和入口高頻開關閥的占空比即可保持噴口推力的穩定。
【文檔編號】H01M8/04186GK105977511SQ201610539876
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】王卓, 楊軍宏, 尚建忠, 楊卿, 冷子昊, 羅佳俊, 徐志偉
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學