一种水下柔性回收机构形态与刚度调控方法技术

本发明专利技术公开了一种水下柔性回收机构形态与刚度调控方法，主要包括基于运动捕获系统与姿态传感器等数据的水下柔性回收机构动力学模型参数辨识；通过Matlab

【技术实现步骤摘要】
一种水下柔性回收机构形态与刚度调控方法


[0001]本专利技术涉及水下航行器
，尤其涉及一种水下柔性回收机构形态与刚度调控方法。

技术介绍

[0002]自主式水下航行器是一种海洋移动观测平台，它无缆且不需要人为操作，能够自主航行进入海底观测网络无法布放的区域进行观测。然而，AUV通常由蓄电池供电，因此携带的能源十分有限，无法长期持续性地进行水下观测。
[0003]AUV水下回收技术是AUV进行充电补给与信号反馈的关键技术。传统AUV回收机构多是刚性机构，存在碰撞力大、易损坏刮伤AUV的缺陷。例如，申请号为CN201911199091.5的中国专利文献公开了一种搭载于移动平台的AUV动态回收机构，该机构虽然减少了传统装置的水阻力，但是依旧存在质量大、刚性碰撞等不足。柔性机构具备柔顺接触与回收AUV的优势，且质量轻盈、便于在移动或固定平台搭载使用。例如，申请号为CN201911145320.5的中国专利文献公开了一种水陆两栖的仿生软体臂，通过含圆柱形流道的扇形单元进行拼接来改变软体臂的长度，通过对不同流道通入高压流体，软体臂能够完成伸展、弯曲运动。
[0004]但在AUV对接过程中，不合理的机构形态会增加AUV的碰撞次数，而不合理的刚度会使机构对AUV产生过度碰撞力或回弹力。因此，水下柔性机构形态与刚度的协同作用是AUV能否成功回收的关键因素。通过研究接驳机构形态与刚度的调控策略，探究两者对AUV回收过程的影响机制，能够为控制柔性回收机构奠定重要理论基础。
[0005]目前，柔性臂动力学模型中的惯性、弹性等系数一般是通过经验公式估算而来，与实际物理模型存在一定偏差，因而不基于模型的开环经验控制方法成为柔性臂目前的主要控制方法。
[0006]然而要分析柔性机构的最佳形态与刚度，必须要获得准确的动力学模型，因此需要研究一种水下柔性臂动力学模型参数辨识方法。Admas仿真软件能够分析AUV与刚性回收机构的碰撞问题，但对复合型软体机构以及物体的水动力特性难以进行描述，因此需要研究相应的仿真方法来分析复合型软体碰撞问题，从而确定柔性回收机构的最佳形态与刚度。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种水下柔性回收机构形态与刚度调控方法，通过该方法可以确定水下柔性回收机构的最佳形态与刚度。
[0008]本专利技术的技术方案如下：一种水下柔性回收机构形态与刚度调控方法，包括：（1）构建水下柔性回收机构的动力学数学模型，通过粒子群优化算法进行模型参数辨识，得到修正后的水下柔性回收机构的动力学模型；（2）将AUV和水下柔性回收机构的动力学模型导入Matlab软件；将AUV和水下柔性
回收机构的三维物理模型导入Adams软件；建立Matlab软件与Adams软件的联合仿真接口；（3）将AUV的运动参数以及水下柔性回收机构的刚度特性导入Adams软件中，对AUV和水下柔性回收机构的碰撞进行仿真，获得水下柔性回收机构对AUV的接驳导引效果和水下柔性回收机构的形变参数；将所述的形变参数输入碰撞力模型得到水下柔性回收机构的受力信息；（4）将AUV的运动参数、水下柔性回收机构的驱动压力以及步骤（2）中获得的形变及受力信息导入Matlab软件，对AUV和水下柔性回收机构的碰撞进行仿真，获得水下柔性回收机构柔性臂在碰撞后的速度和位移信息；（5）基于Matlab软件和Adams软件的仿真结果对AUV和水下柔性回收机构的碰撞过程进行分析，依据碰撞情况及回收成功率确定水下柔性回收机构柔性臂的最佳形态和刚度参数，形成水下柔性回收机构柔性臂形态和刚度的控制策略；（6）将水下柔性回收机构柔性臂形态和刚度的控制策略转换成对应阶段的柔性臂的目标驱动压力，基于柔性臂当前的压力、位姿信息以及目标驱动压力与位姿，调整柔性臂各腔的输入压力，完成指定动作形态。
[0009]水下柔性回收机构的形态与刚度是决定其能否成功回收自主式水下航行器（AUV）的关键因素。本专利技术基于水下柔性回收机构，提出一种水下柔性回收机构的形态与刚度调控方法，该方法主要包括水下柔性回收机构动力学模型参数辨识，通过Matlab
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Admas联合仿真分析AUV回收碰撞过程，提出一种水下柔性回收机构的动态控制策略。
[0010]所述的水下柔性回收机构包括本体和驱动系统；所述的本体包括通流平板和至少三个柔性臂；所述的柔性臂呈圆周等间距分布在所述的通流平板上；所述的柔性臂为圆柱形，由柔性材料制作而成，其内部含有若干个圆柱形的通流空腔；所述的通流空腔的一端封闭，另一端开口；通过液压驱动控制各个通流空腔内的压力，以实现柔性臂的伸缩、弯曲、扭转以及变刚度功能；所述的柔性臂末端设有光学标记点及姿态传感器，所述的通流空腔进口设有压力传感器；所示的驱动系统包括电机、水泵、比例阀组、控制电路以及流体管路；通过控制电路控制电机驱动水泵及比例阀组来调节各个通流空腔内的压力。
[0011]步骤（1）中，采用不同的驱动压力驱动水下柔性回收机构，在水下柔性回收机构形态变化过程中，采用运动捕捉系统来识别所述的光学标记点，解算柔性臂末端的位移和速度；采用所述的姿态传感器记录柔性臂末端的角度和角速度；采用所述的压力传感器采集柔性臂的通流空腔的压力数据；将运动捕捉系统、姿态传感器及压力传感器采集的数据及其对应的时间戳输入计算机，通过粒子群优化算法对水下柔性回收机构的动力学数学模型进行模型参数辨识。
[0012]优选的，所述的运动捕捉系统为Optitrack系统。
[0013]步骤（3）中，水下柔性回收机构的刚度特性为刚度系数；将水下柔性回收机构的驱动压力输入等效刚度模型获得所述的刚度系数。
[0014]步骤（3）中，所述的碰撞力模型采用库伦摩擦力作为AUV与水下柔性回收机构的摩擦力；以非线性阻尼模型来描述接触正压力。
[0015]通过步骤（2）
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（4）的Matlab
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Adams的联合仿真，在Matlab中得到柔性回收机构在碰撞后的速度、位移信息，在Adams中观察到AUV对接的动态过程，并获得物体的形变与受力
信息。
[0016]步骤（5）中，依据碰撞情况和回收成功率，以碰撞力最小、回收成功率最高的情况下确定水下柔性回收机构最佳形态与刚度参数，形成柔性臂的形态与刚度控制策略。
[0017]优选的，本专利技术的水下柔性回收机构形态与刚度调控方法还包括在高压模拟环境下对水下柔性回收机构的控制性能进行测试，测试方法包括：将水下柔性回收机构通过耐压固定在高压舱内，通过加压泵对高压舱进行加压注水来模拟水下高压环境；通过高压舱外上位机控制系统对水下柔性回收机构的柔性臂各个通流空腔的压力进行调节；通过摄像头上位机监控画面判断水下柔性回收机构的动作形态，并基于水下柔性回收机构的传感器反馈信息调节控制参数，从而使水下柔性回收机构达到预期的形态与刚度。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：（1）本专利技术的水下柔性回收机构的联合仿真分析方法解决了复合构型软体无法在Admas软件中进行碰撞、分析本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下柔性回收机构形态与刚度调控方法，其特征在于，包括：（1）构建水下柔性回收机构的动力学数学模型，通过粒子群优化算法进行模型参数辨识，得到修正后的水下柔性回收机构的动力学模型；（2）将AUV和水下柔性回收机构的动力学模型导入Matlab软件；将AUV和水下柔性回收机构的三维物理模型导入Adams软件；建立Matlab软件与Adams软件的联合仿真接口；（3）将AUV的运动参数以及水下柔性回收机构的刚度特性导入Adams软件中，对AUV和水下柔性回收机构的碰撞进行仿真，获得水下柔性回收机构对AUV的接驳导引效果和水下柔性回收机构的形变参数；将所述的形变参数输入碰撞力模型得到水下柔性回收机构的受力信息；（4）将AUV的运动参数、水下柔性回收机构的驱动压力以及步骤（2）中获得的形变及受力信息导入Matlab软件，对AUV和水下柔性回收机构的碰撞进行仿真，获得水下柔性回收机构柔性臂在碰撞后的速度和位移信息；（5）基于Matlab软件和Adams软件的仿真结果对AUV和水下柔性回收机构的碰撞过程进行分析，依据碰撞情况及回收成功率确定水下柔性回收机构柔性臂的最佳形态和刚度参数，形成水下柔性回收机构柔性臂形态和刚度的控制策略；（6）将水下柔性回收机构柔性臂形态和刚度的控制策略转换成对应阶段的柔性臂的目标驱动压力，基于柔性臂当前的压力、位姿信息以及目标驱动压力与位姿，调整柔性臂各腔的输入压力，完成指定动作形态。2.根据权利要求1所述的水下柔性回收机构形态与刚度调控方法，其特征在于，所述的水下柔性回收机构包括本体和驱动系统；所述的本体包括通流平板和至少三个柔性臂；所述的柔性臂呈圆周等间距分布在所述的通流平板上；所述的柔性臂为圆柱形，由柔性材料制作而成，其内部含有若干个圆柱形的通流空腔；所述的通流空腔的一端封闭，另一端开口；通过液压驱动控制各个通流空腔内的压力，以实现柔性臂的伸缩、弯曲、扭转以及变刚度功能；所述的柔性臂末端设有光学标记点及姿态传感器，所述的通流空腔进口设有压力传感器；所示的驱动系统包括电机、水泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：林鸣威，张卓玉，杨灿军，李德骏，吴世军，陈燕虎，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：