基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法

摘要

本发明涉及一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，属于水下航行器运动控制领域。包括通过内置的高度计装置，实时获取航行器对底高度；根据航行器对底高度与设定的对底高度阈值进行比较，划分为不同模态阶段；在不同的模态阶段中，通过控制航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅、振幅偏置以及调整变浮力系统使航行器以不同的姿态下潜。本发明通过对于航行器俯仰姿态的受力分析，利用尾鳍与胸鳍的联合扑动，实现航行器水下落底软着陆，减轻落底时海底环境对航行器的冲击，降低航行器结构损伤风险，提高航行器底栖下潜作业的安全性。

权利要求

1.一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，其特征在于，包括：

通过内置的高度计装置，实时获取仿蝠鲼航行器对底高度；

根据仿蝠鲼航行器对底高度与设定的对底高度阈值进行比较，划分为不同模态阶段；

在不同的模态阶段中，通过控制仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅、振幅偏置以及调整变浮力系统使仿蝠鲼航行器以不同的姿态下潜；

所述的模态阶段包括快速下潜模态阶段、滑翔下潜模态阶段和减速着陆模态阶段；

所述的快速下潜模态阶段：通过CPG控制器控制胸鳍以固定相位差状态下保持周期性扑动提供仿蝠鲼航行器动力，通过提供尾鳍保持向下的振幅偏置使仿蝠鲼航行器形成俯冲趋势的俯仰力矩，从而实现仿蝠鲼航行器以较大速度俯冲下潜运动；

所述的滑翔下潜模态阶段：通过CPG控制器提供胸鳍向上的振幅偏置，尾鳍不输出振幅和振幅偏置，使仿蝠鲼航行器展现滑翔姿态；通过上一模态提供的初始速度提供仿蝠鲼航行器水平方向下潜的动力，调整变浮力系统提供仿蝠鲼航行器垂向下潜的动力；

所述的减速着陆模态阶段：通过CPG控制器将仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅置零，并将所有胸鳍的振幅偏置由最大调为最小，尾鳍振幅偏置由最小调整为最大，从而实现胸鳍的下拍联合尾鳍的上拍形成爬升趋势的俯仰力矩，达到减速落底的效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，其特征在于，通过CPG控制器控制仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅、振幅偏置，具体为：设置CPG控制器参数，控制仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅、振幅偏置。

3.根据权利要求2所述的一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，其特征在于，所述的CPG控制器包括7个CPG控制单元，其中3个CPG控制单元位于右侧胸鳍，3个CPG控制单元位于左侧胸鳍，1个CPG控制单元位于尾鳍。

4.根据权利要求3所述的一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，其特征在于，所述的CPG控制单元为具有振幅偏置方程的CPG相位振荡器模型：其中，表示第i个CPG控制单元的相位，表示相位的一阶导数， 表示第j个CPG控制单元的相位，表示固有频率， 表示第j个CPG控制单元对第i个CPG控制单元的耦合权重，表示期望相位差，表示幅值，和 分别表示振幅的一阶导数和二阶导数， 表示控制幅值收敛速度的正常数，表示期望振幅， 表示振幅偏置，和 分别表示振幅偏置的一阶导数和二阶导数，表示控制振幅偏置收敛速度的正常数， 表示期望振幅偏置，表示输出值。

5.根据权利要求4所述的一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，其特征在于，所述耦合权重 组成CPG控制器的网络结构参数，具体为：其中，为连接矩阵， 表示第二CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第二CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第四CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第七CPG控制单元的耦合权重， 表示第二CPG控制单元对第三CPG控制单元的耦合权重， 表示第三CPG控制单元对第二CPG控制单元的耦合权重， 表示第四CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重， 表示第四CPG控制单元对第五CPG控制单元的耦合权重， 表示第五CPG控制单元对第四CPG控制单元的耦合权重， 表示第五CPG控制单元对第六CPG控制单元的耦合权重， 表示第六CPG控制单元对第五CPG控制单元的耦合权重， 表示第七CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重。

6.根据权利要求1所述的一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，其特征在于，所述调整变浮力系统提供仿蝠鲼航行器垂向下潜的动力具体为：活塞自动从最大位置线性移动至最小位置，即仿蝠鲼航行器排水量从最大调至最小，浮力由最大调至最小。

说明书

基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于水下航行器运动控制领域，具体涉及一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法。

背景技术

[0002] 蝠鲼作为一种胸鳍拍动式鱼类，采用中央鳍/对鳍(MPF,medianand/orpairedfin)模式进行推进，通过拍动胸鳍产生推进力和升力，通过尾鳍上下摆动实现俯仰运动，具备水面漂浮、弓形滑翔、扑翼机动、底栖驻留等多种运动模态，兼具稳定、载荷适配、长航程优势。受真实生物蝠鲼所启发，仿蝠鲼水下航行器作为一种的新型水下仿生航行器被研制，其具有较大的负载能力，以及较好的机动性、稳定性和可控性，因此在资源勘探、水下考古、水质监测、军事侦查和生物观察等方面具有较好的应用前景。同时，蝠鲼作为一种滤食鱼类，经常从浅海区域下潜至海底的珊瑚礁附近，底栖巡游并滤食，其生物底栖下潜行为也为仿蝠鲼水下航行器智能运动控制提供新的方向。

[0003] 水下仿生航行器底栖下潜控制的基础是其俯仰运动的实现，现有的胸鳍推进式水下仿生航行器主要采用两种方式实现俯仰运动。第一种方式为利用鱼鳔原理实现俯仰运动，通过模仿鱼类的鱼鳔系统设计的变浮力机构可以通过改变航行器的排水体积改变其自身浮力实现水下深潜位置的变化，这种方式具有控制逻辑简单、能源损耗低的优势，但也同时由于可以改变的排水量范围有限，无法短时间使航行器产生深度变化。第二种方式为利用航行器后部尾鳍，在有一定前行速度的情况下，通过改变尾鳍俯仰角度被动产生俯仰力矩，使航行器产生类似鱼类的上浮、下潜运动；这种方式可以在短时间内实现快速的深度变化，但仅靠尾鳍方式无法实际改变航行器自身浮力大小，导致一直需要胸鳍拍动提供动力产生前进速度，才能产生俯仰运动，无法实现原位的深度改变，也无法使航行器底栖驻留于海底。同时，胸鳍推进式水下航行器下潜到水底具有一定的垂向速度，直接落底会带来一定的冲击载荷可能导致航行器的结构损坏，在公开的文献中也少有提及胸鳍仿生水下航行器“软着陆”的实现方法。因此，需要一种全新的控制策略方法来实现兼顾低能耗、可原位底栖驻留、“软着陆”的下潜控制策略方法。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是：

[0005] 为了避免上述两种现有的水下仿生航行器底栖下潜控制方式的不足之处，本发明提供一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，其特征在于，包括：

[0008] 通过内置的高度计装置，实时获取仿蝠鲼航行器对底高度；

[0009] 根据仿蝠鲼航行器对底高度与设定的对底高度阈值进行比较，划分为不同模态阶段；

[0010] 在不同的模态阶段中，通过控制仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅、振幅偏置以及调整变浮力系统使仿蝠鲼航行器以不同的姿态下潜。

[0011] 本发明进一步的技术方案：通过CPG控制器控制仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅、振幅偏置，具体为：设置CPG控制器参数，控制仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅、振幅偏置。

[0012] 本发明进一步的技术方案：所述的CPG控制器包括7个CPG控制单元，其中3个CPG控制单元位于右侧胸鳍，3个CPG控制单元位于左侧胸鳍，1个CPG控制单元位于尾鳍。

[0013] 本发明进一步的技术方案：所述的CPG控制单元为具有振幅偏置方程的CPG相位振荡器模型：

[0014]

[0015] 其中， 表示第i个CPG控制单元的相位， 表示相位的一阶导数， 表示第j个CPG控制单元的相位，表示固有频率， 表示第j个CPG控制单元对第i个CPG控制单元的耦合权重， 表示期望相位差，表示幅值，和 分别表示振幅的一阶导数和二阶导数， 表示控制幅值收敛速度的正常数， 表示期望振幅， 表示振幅偏置， 和 分别表示振幅偏置的一阶导数和二阶导数，表示控制振幅偏置收敛速度的正常数， 表示期望振幅偏置，表示输出值。

[0016] 本发明进一步的技术方案：所述耦合权重 组成CPG控制器的网络结构参数，具体为：

[0017]

[0018] 其中，为连接矩阵， 表示第二CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重，表示第一CPG控制单元对第二CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第四CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第七CPG控制单元的耦合权重，表示第二CPG控制单元对第三CPG控制单元的耦合权重， 表示第三CPG控制单元对第二CPG控制单元的耦合权重， 表示第四CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重， 表示第四CPG控制单元对第五CPG控制单元的耦合权重， 表示第五CPG控制单元对第四CPG控制单元的耦合权重， 表示第五CPG控制单元对第六CPG控制单元的耦合权重， 表示第六CPG控制单元对第五CPG控制单元的耦合权重， 表示第七CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重。

[0019] 本发明进一步的技术方案：所述的模态阶段包括快速下潜模态阶段、滑翔下潜模态阶段和减速着陆模态阶段；

[0020] 所述的快速下潜模态阶段：通过CPG控制器控制胸鳍以固定相位差状态下保持周期性扑动提供仿蝠鲼航行器动力，通过提供尾鳍保持向下的振幅偏置使仿蝠鲼航行器形成俯冲趋势的俯仰力矩，从而实现仿蝠鲼航行器以较大速度俯冲下潜运动；

[0021] 所述的滑翔下潜模态阶段：通过CPG控制器提供胸鳍向上的振幅偏置，尾鳍不输出振幅和振幅偏置，使仿蝠鲼航行器展现滑翔姿态；通过上一模态提供的初始速度提供仿蝠鲼航行器水平方向下潜的动力，调整变浮力系统提供仿蝠鲼航行器垂向下潜的动力；

[0022] 所述的减速着陆模态阶段：通过CPG控制器将仿蝠鲼航行器两侧胸鳍和尾鳍的振幅置零，并将所有胸鳍的振幅偏置由最大调为最小，尾鳍振幅偏置由最小调整为最大，从而实现胸鳍的下拍联合尾鳍的上拍形成爬升趋势的俯仰力矩，达到减速落底的效果。

[0023] 本发明进一步的技术方案：所述调整变浮力系统提供仿蝠鲼航行器垂向下潜的动力具体为：活塞自动从最大位置线性移动至最小位置，即仿蝠鲼航行器排水量从最大调至最小，浮力由最大调至最小。

[0024] 本发明的有益效果在于：

[0025] 本发明提供的一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼航行器底栖下潜控制方法，具有以下优点：

[0026] 1、本发明通过对于仿蝠鲼航行器俯仰姿态的受力分析，利用尾鳍与胸鳍的联合扑动，实现仿蝠鲼航行器水下落底“软着陆”，减轻落底时海底环境对航行器的冲击，降低仿蝠鲼航行器结构损伤风险，提高仿蝠鲼航行器底栖下潜作业的安全性。

[0027] 2、本发明通过仿蝠鲼航行器内置高度计实时监控对底高度，制定基于事件触发的下潜控制策略，只需设置各下潜模态改变的触发高度，即可实现仿蝠鲼航行器的自主下潜运动。整个下潜过程简单，操作方便，需要设置的参数与参与的机构较少，思路清晰，易于实现。

[0028] 3、本发明将下潜过程拆分为快速下潜与滑翔下潜两个模态，分别利用尾鳍与变浮力系统实现下潜底栖运动，其中利用尾鳍与胸鳍的联动配合运动实现仿蝠鲼航行器的快速下潜，为仿蝠鲼航行器的滑翔下潜提供初始速度；利用变浮力系统线性改变仿蝠鲼航行器自身浮力大小，通过鱼鳔原理使滑翔姿态下的仿蝠鲼航行器滑翔下潜，简化仿蝠鲼航行器运动参数设置并降低作业能耗，提高仿蝠鲼航行器续航能力，最终实现兼顾低能耗、高机动性的底栖下潜作业。

附图说明

[0029] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

[0030] 图1为本发明CPG控制器结构示意图。

[0031] 图2为本发明仿蝠鲼航行器俯仰姿态受力分析示意图。

[0032] 图3为本发明底栖下潜控制方法流程图。

[0033] 图4为本发明仿蝠鲼航行器底栖下潜各阶段过程示意图。

具体实施方式

[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0035] 如图1所示，仿蝠鲼航行器每个运动关节只需要一个舵机驱动（后面记载的航行器均为仿蝠鲼航行器），建立振荡器模型（CPG(centralpatterngenerator)控制单元），每个振荡器模型的输出作为单个运动关节的舵机角度输入，具体对应关系如下：右侧左侧分别包含3个舵机，右侧分别命名为第一舵机1（第一CPG控制单元）、第二舵机2（第二CPG控制单元）和第三舵机3（第三CPG控制单元），左侧分别命名为第四舵机4（第四CPG控制单元）、第五舵机5（第五CPG控制单元）和第六舵机6（第六CPG控制单元）；尾部设置一个舵机，命名为第七舵机7（第七CPG控制单元）；CPG控制单元通过相位振荡器产生振幅偏置可控的类正弦信号，作为7个航行器运动关节处的舵机角度输入信号，因此可直接将运动关节角度输出作为控制目标参数。

[0036] 如图3所示，本发明实施例提供了一种基于尾鳍与变浮力系统的仿蝠鲼潜水器底栖下潜控制方法，包括以下步骤：

[0037] 步骤1、建立具有振幅偏置方程的CPG相位振荡器模型；

[0038] 步骤2、建立CPG控制网络结构；

[0039] 步骤3、建立航行器水下落底“软着陆”方法；

[0040] 步骤4、建立基于事件触发的下潜控制策略。

[0041] 所述步骤1建立具有振幅偏置方程的CPG相位振荡器模型具体如下：

[0042] 建立具有振幅偏置方程的CPG相位振荡器模型如下：

[0043]

[0044]

[0045] 本发明借鉴振幅方程建立振幅偏置方程：

[0046]

[0047]

[0048] 第一个等式表示相位方程， 表示第i个CPG控制单元的相位， 表示相位的一阶导数， 表示第j个CPG控制单元的相位，表示固有频率， 表示第j个CPG控制单元对第i个CPG控制单元的耦合权重， 表示期望相位差；

[0049] 第二个等式表示为振幅方程，表示幅值，和 分别表示振幅的一阶导数和二阶导数， 表示控制幅值收敛速度的正常数，当 值越大时，趋近于 的速度越快，光滑度降低， 表示期望振幅；

[0050] 第三个等式表示为振幅偏置方程， 表示振幅偏置， 和 分别表示振幅偏置的一阶导数和二阶导数，表示控制振幅偏置收敛速度的正常数，当 值越大时， 趋近于 的速度越快，光滑度降低， 表示期望振幅偏置；

[0051] 第四个等式表示输出方程，表示输出值，即具有振幅偏置方程的CPG相位振荡器模型的输出值；

[0052] 所述步骤2建立CPG控制网络结构具体如下：

[0053] 根据航行器7个运动关节间的相互关系特性，本发明确定建立最简连接形式CPG拓扑网络，包括7个CPG控制单元，包括位于右侧胸鳍的第一CPG控制单元/第二CPG控制单元/第三CPG控制单元、位于左侧胸鳍的第四CPG控制单元/第五CPG控制单元/第六CPG控制单元和位于尾鳍的第七CPG控制单元。本发明以第一CPG控制单元作为右侧胸鳍的主控单元，负责右侧胸鳍单元间的通信，并与左侧胸鳍、尾鳍通信；第四CPG控制单元作为左侧胸鳍的主控单元，负责左侧胸鳍单元间的通信。

[0054] 本发明建立的CPG控制网络结构参数（连接矩阵 ）：

[0055] =

[0056] 其中， 表示第二CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第二CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第四CPG控制单元的耦合权重， 表示第一CPG控制单元对第七CPG控制单元的耦合权重， 表示第二CPG控制单元对第三CPG控制单元的耦合权重， 表示第三CPG控制单元对第二CPG控制单元的耦合权重， 表示第四CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重， 表示第四CPG控制单元对第五CPG控制单元的耦合权重， 表示第五CPG控制单元对第四CPG控制单元的耦合权重， 表示第五CPG控制单元对第六CPG控制单元的耦合权重， 表示第六CPG控制单元对第五CPG控制单元的耦合权重， 表示第七CPG控制单元对第一CPG控制单元的耦合权重。

[0057] 所述步骤3建立航行器水下落底“软着陆”方法具体如下：

[0058] 如图2所示，对航行器进行俯仰姿态受力分析，当胸鳍开始向下拍动时，尾鳍开始向上摆动，这样胸鳍产生向上的升力 与尾鳍的下压力 形成具有爬升趋势的俯仰力矩，从而实现航行器的减速落底效果。具体分析：假设航行器重力与浮力平衡，并忽略其他次要力，当胸鳍下拍时会对航行器躯干OR产生向上的升力，同时尾鳍上拍会产生向下的压力，两个力相对于航行器质心Q形成爬升趋势的俯仰力矩，其中胸鳍产生的升力较大。此俯仰力矩产生的速度效果与航行器底栖下潜速度相反，从而抵消部分航行器的下潜能量，使得航行器以较低速度落底，实现一种“软着陆”的效果，避免下潜带来的较大速度带来的冲击载荷，降低航行器结构受损的风险，提高底栖下潜过程的安全性。

[0059] 具体实施方式为：将航行器两侧胸鳍和尾鳍的期望振幅置零，并将所有胸鳍的振幅偏置由最大调为最小，尾鳍振幅偏置由最小调整为最大，从而实现胸鳍的下拍联合尾鳍的上拍形成爬升趋势的俯仰力矩，达到减速落底的效果。

[0060] 所述步骤4建立基于事件触发的下潜控制策略具体如下：

[0061] 如图4所示，本发明将航行器底栖下潜策略分为3个模态阶段，分别为快速下潜模态阶段、滑翔下潜模态阶段和减速着陆模态阶段，对于模态间的切换采用事件触发的控制策略。首先，设置触发3种模态间切换的对底高度阈值a=5m、b=3m、c=0.8m，其中a为航行器从其他状态进入快速下潜模态阶段的对底高度阈值，b为航行器从快速下潜模态阶段切换到滑翔下潜模态阶段的对底高度阈值，c为航行器从滑翔下潜模态阶段切换到减速着陆模态阶段的对底高度阈值。航行器工作时，通过内置的高度计装置，可以得到实时的航行器对底高度h，在获取实时对底高度h后，通过h与设置模态切换高度阈值a/b/c比较，设立3种触发事件，分别为：h≤a，h≤b和h≤c。具体的下潜模态如下：

[0062] （1）快速下潜模态：触发事件为h≤a=5，即高度计返回的实时高度小于等于高度阈值a判断为真时，航行器自动进入快速下潜模态。该模态下，航行器利用CPG相位振荡器模型与CPG拓扑网络结构实现胸鳍以固定相位差状态下保持周期性扑动提供航行器动力，通过给与尾鳍单元保持向下的偏置姿态使航行器形成俯冲趋势的俯仰力矩，从而实现航行器以较大速度俯冲下潜运动。该模态利用CPG控制器控制胸鳍与尾鳍的联动作业，实现航行器的快速下潜，为下一模态提供初始速度。

[0063] 此模态下各个CPG控制单元参数设置为：

[0064] = = = = = =40， =0；

[0065] = = = = = =0， =‑30；

[0066] = = = = = = =20；

[0067] = = = = = = =20；

[0068] = = = = = = =0.4；

[0069]

[0070] =

[0071] （2）滑翔下潜模态：触发事件为h≤b=3，即高度计返回的实时高度小于等于高度阈值b判断为真时，航行器自动进入滑翔下潜模态。该模态下，CPG控制器仅提供胸鳍向上的振幅偏置，尾鳍不输出振幅和振幅偏置，使航行器展现滑翔姿态。此时航行器水平方向（x轴正方向）下潜的动力来自于上一模态提供的初始速度，垂向（y轴负方向）下潜的动力来自于变浮力系统的调整。具体的调整体现在变浮力系统的活塞移动位置，滑翔下潜模态开始时，活塞自动从最大位置线性移动至最小位置，即航行器排水量从最大调至最小，即浮力由最大调至最小。

[0072] 模态下各个CPG控制单元参数设置为：

[0073] = = = = = =0， =0；

[0074] = = = = = =60， =0；

[0075] = = = = = = =20；

[0076] = = = = = = =20；

[0077] = = = = = = =0.4；

[0078]

[0079] =

[0080] 进一步地，当事件h≤c触发时，若变浮力系统活塞未调整至最小位置，此时活塞停止调整，航行器执行减速着陆模态。

[0081] （3）减速着陆模态：触发事件为h≤c=0.8，即高度计返回的实时高度小于等于高度阈值c判断为真时，航行器自动进入减速着陆模态。该模态下，航行器通过CPG控制器将胸鳍由滑翔下潜模态时的向上振幅偏置调整为向下振幅偏置，实现胸鳍由上至下完整周期扑动的效果；同时，CPG控制器给与尾鳍一个向上的振幅偏置，实现尾鳍向上摆动的运动效果。由步骤3的俯仰姿态受力分析可以得到，胸鳍的下拍联合尾鳍的上拍运动可以提供航行器一个爬升趋势的俯仰力矩，可以抵消下潜直接落底带来的冲击，提高整个控制过程的安全性。

[0082] 具体实施方式为：将航行器两侧胸鳍和尾鳍的期望振幅置零，并将所有胸鳍的振幅偏置由最大调为最小，尾鳍振幅偏置由最小调整为最大，从而实现胸鳍的下拍联合尾鳍的上拍形成爬升趋势的俯仰力矩，达到减速落底的效果。

[0083] 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公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。