1. 設(shè)備概況

   型號(hào)：WS-CXF-250

　　將小白鼠圈養(yǎng)在球形生活平臺(tái)內(nèi)。采用磁懸浮原理，使得球形平臺(tái)懸浮空中。

　　設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，1個(gè)球形平臺(tái)生活1只小白鼠，配備一套磁懸浮裝置。

　　如需對(duì)多個(gè)小白鼠進(jìn)行試驗(yàn)，則將多套試驗(yàn)機(jī)一起使用即可。

　　并且擴(kuò)展性強(qiáng)，可附加其他模塊，以加強(qiáng)試驗(yàn)?zāi)芰?，如生物監(jiān)測(cè)監(jiān)控，溫濕度環(huán)境控制等。

　　2. 技術(shù)參數(shù)

　　(1) 球形生活平臺(tái)：內(nèi)徑250mm。球內(nèi)附加水平平臺(tái)用于小白鼠生活。

　　(2) 懸浮原理：磁懸浮。

　　3. 磁懸浮原理與計(jì)算解析

　　3.1. 電磁力計(jì)算基礎(chǔ)

　　磁懸浮系統(tǒng)的核心在于電磁力與重力的平衡。以下為關(guān)鍵計(jì)算模型：

　　?電磁吸引力(EMS系統(tǒng))?

　　計(jì)算公式：

　　Fem=μ0N2AI2/4d2

　　其中，μ0為真空磁導(dǎo)率(4π×10?7?H/m)，N為線圈匝數(shù)，A為磁極面積，I為電流，d為懸浮間隙。通過調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)間隙穩(wěn)定(典型值8-12mm)?。

　　?超導(dǎo)排斥力(EDS系統(tǒng))?

　　基于楞次定律，運(yùn)動(dòng)超導(dǎo)磁體在鋁制軌道中感應(yīng)渦流，產(chǎn)生反向磁場(chǎng)形成的斥力：

　　Fed=B2A/2μ0

　　式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，A為有效作用面積。懸浮間隙可達(dá)10-30cm?。

　　3.2. 控制算法與穩(wěn)定性分析

　　?PID閉環(huán)控制?

　　懸浮間隙調(diào)節(jié)采用PID算法：

　　u(t)=Kpe(t)+Ki∫e(t)dt+Kdde(t)/dt

　　參數(shù)整定需滿足相位裕度>45°，帶寬>100Hz，響應(yīng)時(shí)間<10ms?。

　　?多自由度協(xié)同控制?

　　橫向?qū)蛄εc縱向推進(jìn)力耦合方程為：

　　{mx=Fx?Fdrag my=Fy+Flateral

　　需通過卡爾曼濾波器消除軌道不平順擾動(dòng)，定位精度要求±1mm?67。

　　3.3. 能量損耗量化分析

　　?電磁懸浮能耗?

　　功率損耗主要來自線圈電阻：

　　Ploss=I2R+B2fV/μ0σ

　　其中R為線圈電阻，f為磁場(chǎng)交變頻率，V為磁芯體積，σ為材料電導(dǎo)率。EMS系統(tǒng)典型功耗為3-5kW/噸。

　　?超導(dǎo)系統(tǒng)冷卻能耗?

　　液氦制冷功率需求：

　　Pcool=Qleak/ηcryo

　　漏熱Qleak與絕熱層厚度成反比，商用超導(dǎo)磁懸浮制冷效率約15%-20%?。

　　4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　4.1. ?磁懸浮模塊?

　　?懸浮機(jī)制?：采用電磁懸浮(EMS)技術(shù)，通過可調(diào)節(jié)電流的電磁鐵陣列實(shí)現(xiàn)小白鼠無接觸懸浮，磁場(chǎng)強(qiáng)度與重力平衡關(guān)系滿足：

　　Fm=μ0N2AI2/4d2≥mmouse?g

　　其中，mmouse為小白鼠質(zhì)量(約20-40g)，懸浮間隙d控制在5-10mm范圍內(nèi)，通過PID算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流以維持穩(wěn)定懸浮?。

　　?磁場(chǎng)配置?：采用環(huán)形電磁鐵陣列(4-6組)，垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度≥0.5T/m，水平方向設(shè)置輔助磁場(chǎng)抑制側(cè)向偏移。

　　4.2. ?動(dòng)態(tài)行為監(jiān)測(cè)?

　　?運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉?：集成微型加速度計(jì)(采樣率≥100Hz)與紅外光柵陣列(精度±0.1mm)，實(shí)時(shí)記錄小白鼠肢體活動(dòng)軌跡及位移。

　　?生理參數(shù)監(jiān)測(cè)?：通過非接觸式光纖傳感器監(jiān)測(cè)心率(50-700bpm)與呼吸頻率(20-300次/分)，數(shù)據(jù)同步至控制終端。

　　5. 核心功能模塊

　　5.1. ?環(huán)境模擬系統(tǒng)?

　　?磁場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)?：支持0.1-5.0T連續(xù)可調(diào)磁場(chǎng)，通過PWM控制電磁鐵電流(0-10A)，模擬不同重力條件(如0.1g-2g)。

　　?溫濕度控制?：內(nèi)置恒溫模塊(20-30℃±0.5℃)與濕度調(diào)節(jié)器(30-70%RH±5%)，適應(yīng)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)需求。

　　5.2. ?安全保護(hù)機(jī)制?

　　?緊急制動(dòng)?：懸浮失效時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)械托架(響應(yīng)時(shí)間<50ms)，防止小白鼠跌落損傷。

　　?刺激閾值保護(hù)?：動(dòng)態(tài)限制電磁場(chǎng)變化速率(ΔB/Δt≤0.1T/s)，避免過度應(yīng)激反應(yīng)。

　　6. 硬件與軟件架構(gòu)

　　6.1. ?硬件配置?

　　?懸浮平臺(tái)?：直徑200mm圓形平臺(tái)，采用輕量化鈦合金框架(總重<5kg)，內(nèi)置電磁鐵組與傳感器陣列。

　　?控制單元?：基于STM32H7微控制器，集成16位ADC(采樣率1MHz)與CAN總線通信模塊。

　　6.2. ?軟件系統(tǒng)?

　　?實(shí)時(shí)控制算法?：采用改進(jìn)型模糊PID控制器，調(diào)節(jié)周期≤1ms，相位裕度>60°，帶寬>200Hz。

　　?數(shù)據(jù)分析模塊?：支持運(yùn)動(dòng)軌跡可視化(3D建模)與生理參數(shù)相關(guān)性分析(如活動(dòng)強(qiáng)度與心率變化曲線)。

　　7. 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

　　7.1. ?適應(yīng)性訓(xùn)練階段?

　　初始懸浮高度設(shè)定為5mm，磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度0.3T/m，持續(xù)30分鐘/天，連續(xù)3天觀察行為適應(yīng)性與應(yīng)激反應(yīng)?。

　　7.2. ?生存能力測(cè)試?

　　?靜態(tài)懸浮測(cè)試?：在1g模擬重力下連續(xù)懸浮24小時(shí)，記錄能量消耗(通過運(yùn)動(dòng)位移換算)與進(jìn)食/飲水行為。

　　?動(dòng)態(tài)應(yīng)激測(cè)試?：施加周期性磁場(chǎng)擾動(dòng)(頻率0.1-10Hz)，評(píng)估運(yùn)動(dòng)恢復(fù)速度與生理指標(biāo)波動(dòng)?。