一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置及其控制方法
【专利摘要】一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，该装置主要由燃料供给系统和脉冲式反应系统组成。其中，燃料供给系统实现单组元燃料存储和流量调控；单组元燃料顺序通过脉冲式反应系统中的入口高频开关阀和催化剂床，燃料在催化剂作用下由液态分解为气态，使催化剂床内压力迅速上升。整个过程可以分成三段：输入阶段，即入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；反应阶段，即入口、出口高频开关阀均关闭；喷射阶段，即出口处高频开关阀开启，入口高频开关阀关闭。装置根据输出力需求，利用热力学和流体力学公式获得流量泵流量和入口、出口高频开关阀PWM控制信号占空比等参数取值，产生持续的脉冲喷射效果。该脉冲式仿生动力装置具有高功率密度、环境友好、结构简单和高效率等优点，适用于外骨骼机器人和喷气背包等设备的动力系统。
【专利说明】
-种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置及其控制方法置，适用于 外骨骼机器人和喷气背包动力装置。
【背景技术】
[0002] 外骨骼机器人可跟随人体运动，并承担主要负荷，进而增强人体机能，而喷气背包 是实现人类飞行和运动助力的有效途径之一。为实现能源自治，提高实用化水平，WHAkS、 脚LC、X0S、BLEEX和Je化ack、Madin为代表的外骨骼机器人和喷气背包普遍采用电池、汽油 机作动力带动电机或液压驱动系统。其中，裡电池作为应用最广泛的动力形式，相对较低的 能量密度限制了其长时间使用;燃料电池技术不断发展，已具有较高的能量密度和功率密 度，然而高昂的成本和有害基底物质排放等缺陷还有待于解决；内燃机具有最高的能量密 度和功率密度，是最理想的外骨骼机器人和喷气背包动力系统，但是，其噪音、效率、污染等 问题短期内难W突破。此外，上述外骨骼机器人和喷气背包用传统动力系统，难W在能量转 化系统复杂性和燃料能量密度间取得平衡，运也成为制约外骨骼机器人和和喷气背包续航 能力提升的原理性障碍。因此，对于本领域技术人员而言，有必要开发一种高功率密度、环 境友好、结构简单和高效率的新型动力系统，W在外骨骼机器人和和喷气背包系统中推广 应用。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高功率密度、高效率、 结构简单、无污染的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置及其控制方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明包括W下内容：
[0005] -种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括单组元燃料供给系统和脉冲式 反应系统，所述单组元燃料供给系统包括储罐、流量累，所述脉冲式反应系统包括入口高频 开关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、控制器和喷嘴，所述储罐通过流量累与催 化剂床的入口连接，所述催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床的入口和出口分别安装有 入口高频开关阀和出口高频开关阀，所述催化剂床上安装有监控催化剂床内压力变化的压 力传感器，所述压力传感器的信号端与控制器连接，所述控制器的信号端与入口高频开关 阀、出口高频开关阀和流量累连接，所述控制器控制入口高频开关阀和出口高频开关阀的 占空比W及流量累的流量大小。
[0006] 所述控制器为PWM控制器。
[0007] 所述储罐内的单组元燃料为也化，优选浓度高于30 %的也化。
[0008] 所述流量累的输出流量为10毫升/秒到200毫升/秒。
[0009] 所述入口高频开关阀和出口高频开关阀的频率为IHz到50化。
[0010] 所述催化剂床内部有效体积为50毫升至500毫升。
[0011] 所述催化剂床内使用儘基担载型颗粒状催化剂。
[0012] 所述喷嘴有效截面积为50平方毫米至500平方毫米。
[0013] 一种脉冲式仿生动力装置控制方法，包括如下步骤：
[0014] a、前期准备，根据载物的重量设定喷口推力期望值为Fe;选取燃料浓度IK燃料摩 尔数N、入口高频开关阀的PWM信号频率fi、催化剂床体积V、出口高频开关阀的PWM信号频率 f 2、出口高频开关阀开口半径rout、喷嘴有效截面积At、喷口喷射系数Cd、大气压力Po、气体密 度P、理想气体常数R、催化剂床内溫度T、入口高频开关阀的HVM信号占空比Cl和出口高频开 关阀的PWM信号占空比知根据下方公式：
[001 引 F = PXAt 公式(1)
[0016]
[0017] 公式a)
[0018] 将Fe的值代入公式（1)
的F中，使用变步长常微分方程数值解法，优选四阶-五阶 Runge-Kutta算法，计算出流量累期望流量值Q设为Qe,并将其设定为当前流量累的流量值；
[0019] b、输入阶段，将入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；利用压力传感器检测 催化剂床内压力为Pa,将Pa的值代入公式(1)的P中，计算得到实际推力Fa;
[0020] 当喷口推力偏差值A F= I Fa-Fe I大于5%时，将A F的值代入公式(1)的F中得至化的 值，再带入公式(2)，计算出流量微调量Q设为A Q，设定下一个循环的流量累的优化流量为 Q〇 = Qe± AQ;
[002。 当喷口推力偏差值A F= I Fa-Fe I小于5%时，将A F的值代入公式(1)的F中得至化的 值，并将P带入下方公式：
[0022]
公式（3)
[0023] 使用变步长常微分方程数值解法，优选四阶-五阶Runge-Kutta算法，计算出入口 高频开关阀占空比微调量Cl设为A Cl,设定下一个循环的入口高频开关阀优化占空比ClD = Ci± ACi;
[0024] C、反应阶段，当催化剂床进入足量燃料后，将入口高频开关阀和出口高频开关阀 均关闭进行反应；
[0025] d、喷射阶段，当燃料在催化剂作用下反应完成后，开启出口高频开关阀，关闭入口 局频开关阀；
[00%] e、重复步骤b、c、d，不断修正推力偏差值AF，直至喷口推力偏差值AF小于1%，然 后保持此时流量累的流量和入口高频开关阀的占空比即可保持喷口推力的稳定。
[0027]本发明的上述技术方案主要是基于W下原理:銷翅目昆虫一气步甲依靠连续喷射 高压刺激性分泌物防御天敌，通过解剖和动物试验发现其防御机制源自体内独特的生物功 能结构。气步甲喷射动力系统由柔性燃料室和刚性反应室组成，腺体内合成的也化(浓度达 到25%)存储在燃料室内，并在肌肉挤压下通过类单向阀结构进入反应室，也〇2在生物酶的 催化作用下迅速分解释放出氧气和高溫水蒸气，当压力超过反应室喷口类单向阀结构设定 压力后向外喷出，此时燃料室单向阀关闭。上述过程循环进行，产生脉冲喷射效果。气步甲 的脉冲喷射过程(最高频率达到2000化）可有效降低燃料室所需驱动压力，同时增加此化在 催化剂床内驻留时间，提升其催化分解效率，并且降低连续反应过程所引起的过热。
[0028] 本发明通过控制入口高频开关阀和出口高频开关阀的快速开启和关闭的循环，实 现脉冲喷射效果，利用出化高功率密度、高能量密度W及稳定、无毒的物化特性，通过催化剂 的快速反应(催化剂的快速反应利用儘基催化剂的桥接作用，降低催化反应所需活化能，极 大提高反应速率，可达l(T3s，保证喷射的连续性），特别是其直接将化学能转化为机械能的 独特优势，从而保证能提供稳定的推动，与现有技术相比，具有高功率密度、环境友好、结构 简单和高效率等优点，适用于外骨骼机器人和喷气背包等设备的动力系统。
[0029] 此外，通过本控制方法，可根据人体运动频率和助力幅值要求，获得优化的累流 量、PWM信号占空比和催化剂床体积等系统参数取值，并在系统工作阶段通过系统参数调整 自动补偿输出误差(低于1%)。利用本控制方法，在实现脉冲喷射效果的同时，能够有效降 低上游燃料供应压力，减少催化剂床体积，提升催化分解效率，并且降低连续反应过程所引 起的过热，保证反应的持续稳定。
【附图说明】
[0030] 图1为本装置的结构简图。
[0031 ]图2为本发明实施例1中入口高频开关阀PWM信号
[0032] 图3为本发明实施例1中出口高频开关阀PWM信号
[0033] 图4为本发明实施例1中输出力随时间变化曲线。
[0034] 图5为本发明实施例2中入口高频开关阀PWM信号
[0035] 图6为本发明实施例2中出口高频开关阀PWM信号
[0036] 图7为本发明实施例2中输出力随时间变化曲线。
【具体实施方式】
[0037] W下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0038] -种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括单组元燃料供给系统和脉冲式 反应系统，所述单组元燃料供给系统包括储罐1、流量累2,所述脉冲式反应系统包括入口高 频开关阀3、催化剂床4、压力传感器5、出口高频开关阀6、PWM控制器8和喷嘴7,所述储罐1通 过流量累2与催化剂床4的入口连接，所述催化剂床4的出口与喷嘴7连接，催化剂床4的入口 和出口分别安装有入口高频开关阀3和出口高频开关阀6,所述催化剂床4上安装有监控催 化剂床内压力变化的压力传感器5,所述压力传感器5的信号端与PWM控制器8连接，所述PWM 控制器8的信号端与入口高频开关阀3、出口高频开关阀6和流量累2连接，所述PWM控制器8 控制入口高频开关阀和出口高频开关阀的占空比W及流量累的流量大小。
[0039] 所述储罐内的单组元燃料为出化，优选浓度高于30 %的出化。所述流量累的输出流 量为10毫升/秒到200毫升/秒。所述入口高频开关阀和出口高频开关阀的频率为IHz到 50Hz。所述催化剂床内部有效体积为50毫升至500毫升。所述催化剂床内使用儘基担载型颗 粒状催化剂。所述喷嘴有效截面积为50平方毫米至500平方毫米。
[0040] 实施例1:
[0041] 具体设计一种如图I所示的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括W下内 容：
[0042] (1)装置包括燃料供给系统和脉冲式反应系统，燃料供给系统包括储罐、流量累； 脉冲式反应系统包括入口高频开关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、Pmi控制 器、喷嘴。储罐通过流量累与催化剂床的入口连接，催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床 的入口和出口分别安装有入口高频开关阀和出口高频开关阀，催化剂床上安装有监控催化 剂床内压力变化的压力传感器，压力传感器的信号端与HVM控制器连接，Pmi控制器的信号 端与入口高频开关阀、出口高频开关阀和流量累连接。
[0043] (2)动力装置流体器件均安装快速接头，通过氣素树脂管依次连接。
[0044] (3)设定喷口推力期望值为Fe为34N，输出频率为20化。
[0045] (4)使用浓度4为90%的出化作为单组元燃料。
[0046] (5)催化剂床内使用平均粒度2mm的儘基担载型颗粒状催化剂。
[0047] (6)高频开关阀(包括入口和出口高频开关阀fi、f2)频率选取20化。
[0048] (7)选取催化剂床内部有效体积V为50毫升。
[0049] (8)选取喷嘴有效截面积At为50平方毫米。
[0050] (9)选取入口、出口高频开关阀占空比Cl和C2分别为0.31和0.3。
[0051 ] (10)利用
[0052] F = PXAt 公式（1)
[0化3] 「00541
公式（2)
[0055] 计算出流量累期望流量值Qe为200毫升/秒。
[0056] (11)将入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；利用压力传感器检测催化剂 床内压力，利用公式（1)计算得到实际推力Fa为35N。
[0057] (12)将喷口推力偏差值AF(IN)代入公式(1)，计算入口高频开关阀占空比：
[0化引
公式任)
[0059] 计算出入口高频开关阀占空比微调量A Cl为0.01，设定下一个循环的入口高频开 关阀优化占至比CiD为0.3。
[0060] (13)重复步骤（11)-(12),计算出实际喷口推力为34.2N，满足输出力误差要求。图 2、3所示为入口、出口高频开关阀PWM信号，图4所示为输出力随时间变化曲线。
[0061 ] 实施例2:
[0062]具体设计一种如图1所示的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括W下内 容：
[0063] (I)装置包括燃料供给系统和脉冲式反应系统，燃料供给系统包括储罐、流量累； 脉冲式反应系统包括入口高频开关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、Pmi控制 器、喷嘴。储罐通过流量累与催化剂床的入口连接，催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床 的入口和出口分别安装有入口高频开关阀和出口高频开关阀，催化剂床上安装有监控催化 剂床内压力变化的压力传感器，压力传感器的信号端与HVM控制器连接，Pmi控制器的信号 端与入口高频开关阀、出口高频开关阀和流量累连接。
[0064] (2)动力装置流体器件均安装快速接头，通过氣素树脂管依次连接。
[0065] (3)设定喷口推力期望值为Fe为19N，输出频率为IHz。
[0066] (4)使用浓度4为60%的出化作为单组元燃料。
[0067] (5)催化剂床内使用平均粒度2mm的儘基担载型颗粒状催化剂。
[0068] (6)高频开关阀(包括入口和出口高频开关阀f 1、f2)频率选取IHz。
[0069] (7)选取催化剂床内部有效体积V为100毫升。
[0070] (8)选取喷嘴有效截面积At为50平方毫米。
[0071 ] (9)选取入口、出口高频开关阀占空比Cl和C2分别为0.3和0.2。
[0072] (10)利用公式(1)和公式(2)计算出流量累期望流量值Qe为18毫升/秒。
[0073] (11)将入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；利用压力传感器检测催化剂 床内压力，利用公式（1)计算得到实际推力Fa为17N。
[0074] (12)将喷口推力偏差值AF(2N)代入公式（1)和公式(2)，
[0075] 计算出流量累微调流量A Q为2毫升/秒，设定下一个循环的流量累的优化流量Qd 为20毫升/秒。
[0076] (13)重复步骤(11)-(12),计算出实际喷口推力为18.9N，满足输出力误差要求。图 5、6所示为入口、出口高频开关阀PWM信号，图7所示为输出力随时间变化曲线。
【主权项】
1. 一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括单组元燃料供给系统和脉冲式反 应系统，所述单组元燃料供给系统包括储罐、流量累，所述脉冲式反应系统包括入口高频开 关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、控制器和喷嘴，其特征在于:所述储罐通过 流量累与催化剂床的入口连接，所述催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床的入口和出口 分别安装有入口高频开关阀和出口高频开关阀，所述催化剂床上安装有监控催化剂床内压 力变化的压力传感器，所述压力传感器的信号端与控制器连接，所述控制器的信号端与入 口高频开关阀、出口高频开关阀和流量累连接，所述控制器控制入口高频开关阀和出口高 频开关阀的占空比W及流量累的流量大小。2. 根据权利要求1所述的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，其特征在于，所述控 制器为PWM控制器。3. 根据权利要求2所述的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，其特征在于，所述储 罐内的单组元燃料为出化，优选浓度高于30 %的出化。4. 根据权利要求3所述的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，其特征在于，所述流 量累的输出流量为10毫升/秒到200毫升/秒。5. 根据权利要求4所述的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，其特征在于，所述入 口高频开关阀和出口高频开关阀的频率为IHz到50化。6. 据权利要求5所述的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，其特征在于，所述催化 剂床内部有效体积为50毫升至500毫升。7. 根据权利要求6所述的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，其特征在于，所述催 化剂床内使用儘基担载型颗粒状催化剂。8. 根据权利要求7所述的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，其特征在于，所述喷 嘴有效截面积为50平方毫米至500平方毫米。9. 一种脉冲式仿生动力装置控制方法，用于控制权利要求1至8之一的脉冲式仿生动力 装置，其特征在于:包括如下步骤： a、 前期准备，根据载物的重量设定喷口推力期望值为Fe;选取燃料浓度Φ、燃料摩尔数N、 入口高频开关阀的PWM信号频率f 1、催化剂床体积V、出口高频开关阀的PWM信号频率f 2、出口 高频开关阀开口半径rout、喷嘴有效截面积At、喷口喷射系数Cd、大气压力Po、气体密度P、理 想气体常数R、催化剂床内溫度T、入口高频开关阀的PWM信号占空比ξι和出口高频开关阀的 PWM信号占空比;根据下方公式：将Fe的值代入公式（1)的F中，使用变步长常微分方程数值解法，优选四阶-五阶Runge- Kutta算法，计算出流量累期望流量值Q设为Qe，并将其设定为当前流量累的流量值； b、 输入阶段，将入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；利用压力传感器检测催化 剂床内压力为Pa，将Pa的值代入公式(1 )的P中，计算得到实际推力Fa ; 当喷口推力偏差值A F = I Fa-Fe I大于5%时，将Δ F的值代入公式（1)的F中得到P的值， 再带入公式(2)，计算出流量微调量Q设为Δ Q，设定下一个循环的流量累的优化流量为Qd = Qe± AQ; 当喷口推力偏差值A F = I Fa-Fe I小于5%时，将Δ F的值代入公式（1)的F中得到P的值， 并将P带入下方公式：使用变步长常微分方程数值解法，优选四阶-五阶Runge-Kutta算法，计算出入口高频 开关阀占空比微调量ξι设为A ξι，设定下一个循环的入口高频开关阀优化占空比ξ?η = ξ?± Αξι； c、 反应阶段，当催化剂床进入足量燃料后，将入口高频开关阀和出口高频开关阀均关 闭进行反应； d、 喷射阶段，当燃料在催化剂作用下反应完成后，开启出口高频开关阀，关闭入口高频 开关阀； e、 重复步骤b、c、d，不断修正推力偏差值AF，直至喷口推力偏差值AF小于1%，然后保 持此时流量累的流量和入口高频开关阀的占空比即可保持喷口推力的稳定。
【文档编号】H01M8/04186GK105977511SQ201610539876
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】王卓, 杨军宏, 尚建忠, 杨卿, 冷子昊, 罗佳俊, 徐志伟
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学