多关节仿生海豚运动控制方法、系统及水下损伤探测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多关节仿生海豚运动控制方法、系统及水下损伤探测方法，属于仿生机器人损伤探测领域。方法包括：建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型并进行前处理，将完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件中进行水动力仿真，得到指定水下工况下的推力曲线和水动力曲线，并进行求差并拟合得到多关节仿生海豚各个时刻的速度

【技术实现步骤摘要】
多关节仿生海豚运动控制方法、系统及水下损伤探测方法


[0001]本专利技术涉及仿生机器人及水下工程结构损伤探测
，特别是涉及一种多关节仿生海豚运动控制方法、系统及水下损伤探测方法。

技术介绍

[0002]水下机器人在水下工程结构，如港口和桥梁水下结构部分的损伤探测领域具有广阔的应用前景，但现有的水下机器人一般采用螺旋桨推进，该推进方式在效率、噪声大小、机动性方面相比于仿生推进都略有不足。仿生推进凭借其优越的运动性能，将是小型水下机器人未来的发展方向。而水下工况复杂，仿生推进的应用存在以下两个问题：第一，仿生推进没有螺旋桨，工作时不能调节螺旋桨的工作状态维持稳定，而是依靠调节关节转矩维持稳定，但是关节转矩的动态预测是非常困难的。第二，设计出的仿生机器人难以预先估算速度，只能实验获得。而现有研究都对此并未深入探究过，因此本领域亟需提出一种方法，能够动态预测仿生机器人关节转矩及加速度、速度、位移等动力学参数，据此控制仿生机器人的运动以保证稳定性，以实现水下工程结构的损伤探测及定位标识。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提出一种多关节仿生海豚运动控制方法、系统及水下损伤探测方法，能够通过动力学耦合技术得到多关节仿生海豚各关节的力矩，并且预测出其每时刻的加速度、速度、位移参数，从而根据以上动力学参数控制多关节仿生海豚每个时刻关节处的输出力矩，削弱外界对多关节仿生海豚的影响，以提高其稳定性；并通过在仿生海豚头部加装声纳系统，通过精准的运动控制方法以实现水下工程结构的损伤探测及定位标识。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一方面，本专利技术提供一种多关节仿生海豚运动控制方法，包括：
[0006]建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型并进行前处理，得到完成前处理的模型文件；所述三维模型用于模拟多关节仿生海豚的运动方式；所述计算域三维模型用于多关节仿生海豚的水动力仿真；
[0007]将所述完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件中进行水动力仿真，得到多关节仿生海豚在指定水下工况下的推力曲线和水动力曲线，然后对推力曲线和水动力曲线进行求差并拟合得到多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线；所述指定水下工况主要包括水域是否有流动以及水流速度和方向；
[0008]对所述多关节仿生海豚进行动力学分析，推导出多关节仿生海豚的动力学模型；
[0009]根据所述多关节仿生海豚的动力学模型、指定水下工况下的推力曲线以及多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线，完成多关节仿生海豚的动力学耦合，得到多关节仿生海豚的动力学参数；所述动力学参数包括各个时刻多关节仿生海豚各关节的力矩和加速度、速度、位移；
[0010]根据所述多关节仿生海豚的动力学参数，应用PWM脉宽调制技术控制每个时刻多
关节仿生海豚各关节处的输出力矩。
[0011]可选地，所述建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型并进行前处理，得到完成前处理的模型文件，具体包括：
[0012]在SolidWorks三维绘图软件中建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型；
[0013]将所述多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型导入至Hypermesh软件中对三维模型和计算域三维模型进行模型简化及面网格划分的前处理，得到完成前处理的模型文件。
[0014]可选地，所述将所述完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件中进行水动力仿真，得到多关节仿生海豚在指定水下工况下的推力曲线和水动力曲线，然后对推力曲线和水动力曲线进行求差并拟合得到多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线，具体包括：
[0015]将所述完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件Star
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CCM+中完成计算域建立，生成体网格，定义边界，定义多关节仿生海豚变形运动操作；
[0016]设置计算域水流速度为零，令多关节仿生海豚尾部摆动，计算出多关节仿生海豚以预设运动学方程摆动时的推力曲线，作为多关节仿生海豚在指定水下工况下的推力曲线；
[0017]依据相对运动原理，将指定水下工况下多关节仿生海豚的直线运动进行速度合成，将合成速度转化为水流的流动进行水动力仿真，逐步增加水流速度，直至多关节仿生海豚在推力作用下的理论推进速度，得到多关节仿生海豚在指定水下工况下加速运动过程中不同运动速度下的水动力曲线；
[0018]根据所述推力曲线和所述水动力曲线，求差并拟合出各个时刻多关节仿生海豚以预设运动学方程摆动时随速度变化的阻力曲线，作为多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线。
[0019]可选地，所述对所述多关节仿生海豚进行动力学分析，推导出多关节仿生海豚的动力学模型，具体包括：
[0020]对多关节仿生海豚进行动力学分析，采用拉格朗日方法，将水动力进行集中，将多关节仿生海豚的动力学分析转化为多刚体系统动力学分析，推导出多关节仿生海豚的动力学模型。
[0021]可选地，所述根据所述多关节仿生海豚的动力学模型、指定水下工况下的推力曲线以及多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线，完成多关节仿生海豚的动力学耦合，得到多关节仿生海豚的动力学参数，具体包括：
[0022]在Matlab软件中搭建出所述多关节仿生海豚的动力学模型，在动力学模型中设置好多关节仿生海豚的质量、长度参数；
[0023]将所述动力学模型中的力项分解为推力减去阻力，推力为所述指定水下工况下的推力曲线中对应的推力，根据所述多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力，利用推力减去阻力计算得到各个时刻多关节仿生海豚各关节的合力；
[0024]将各个时刻多关节仿生海豚各关节的合力代入所述动力学模型，计算得到各个时刻多关节仿生海豚各关节的力矩以及沿前进方向的位移、速度和加速度，并返回所述根据
所述多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力的步骤。
[0025]另一方面，本专利技术还提供一种多关节仿生海豚运动控制系统，包括：
[0026]三维模型建立及前处理模块，用于建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型并进行前处理，得到完成前处理的模型文件；所述三维模型用于模拟多关节仿生海豚的运动方式；所述计算域三维模型用于多关节仿生海豚的水动力仿真；
[0027]水动力仿真模块，用于将所述完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件中进行水动力仿真，得到多关节仿生海豚在指定水下工况下的推力曲线和水动力曲线，然后对推力曲线和水动力曲线进行求差并拟合得到多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线；所述指定水下工况主要包括水域是否有流动以及水流速度和方向；
[0028]动力学分析模块，用于对所述多关节仿生海豚进行动力学分析，推导出多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多关节仿生海豚运动控制方法，其特征在于，包括：建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型并进行前处理，得到完成前处理的模型文件；所述三维模型用于模拟多关节仿生海豚的运动方式；所述计算域三维模型用于多关节仿生海豚的水动力仿真；将所述完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件中进行水动力仿真，得到多关节仿生海豚在指定水下工况下的推力曲线和水动力曲线，然后对推力曲线和水动力曲线进行求差并拟合得到多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线；所述指定水下工况包括水域是否有流动以及水流速度和方向；对所述多关节仿生海豚进行动力学分析，推导出多关节仿生海豚的动力学模型；根据所述多关节仿生海豚的动力学模型、指定水下工况下的推力曲线以及多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线，完成多关节仿生海豚的动力学耦合，得到多关节仿生海豚的动力学参数；所述动力学参数包括各个时刻多关节仿生海豚各关节的力矩和加速度、速度、位移；根据所述多关节仿生海豚的动力学参数，应用PWM脉宽调制技术控制每个时刻多关节仿生海豚各关节处的输出力矩。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型并进行前处理，得到完成前处理的模型文件，具体包括：在SolidWorks三维绘图软件中建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型；将所述多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型导入至Hypermesh软件中对三维模型和计算域三维模型进行模型简化及面网格划分的前处理，得到完成前处理的模型文件。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件中进行水动力仿真，得到多关节仿生海豚在指定水下工况下的推力曲线和水动力曲线，然后对推力曲线和水动力曲线进行求差并拟合得到多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线，具体包括：将所述完成前处理的模型文件导入至计算流体力学分析软件Star
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CCM+中完成计算域建立，生成体网格，定义边界，定义多关节仿生海豚变形运动操作；设置计算域水流速度为零，令多关节仿生海豚尾部摆动，计算出多关节仿生海豚以预设运动学方程摆动时的推力曲线，作为多关节仿生海豚在指定水下工况下的推力曲线；依据相对运动原理，将指定水下工况下多关节仿生海豚的直线运动进行速度合成，将合成速度转化为水流的流动进行水动力仿真，逐步增加水流速度，直至多关节仿生海豚在推力作用下的理论推进速度，得到多关节仿生海豚在指定水下工况下加速运动过程中不同运动速度下的水动力曲线；根据所述推力曲线和所述水动力曲线，求差并拟合出各个时刻多关节仿生海豚以预设运动学方程摆动时随速度变化的阻力曲线，作为多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述多关节仿生海豚进行动力学分析，推导出多关节仿生海豚的动力学模型，具体包括：对多关节仿生海豚进行动力学分析，采用拉格朗日方法，将水动力进行集中，将多关节
仿生海豚的动力学分析转化为多刚体系统动力学分析，推导出多关节仿生海豚的动力学模型。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多关节仿生海豚的动力学模型、指定水下工况下的推力曲线以及多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线，完成多关节仿生海豚的动力学耦合，得到多关节仿生海豚的动力学参数，具体包括：在Matlab软件中搭建出所述多关节仿生海豚的动力学模型，在动力学模型中设置好多关节仿生海豚的质量、长度参数；将所述动力学模型中的力项分解为推力减去阻力，推力为所述指定水下工况下的推力曲线中对应的推力，根据所述多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力，利用推力减去阻力计算得到各个时刻多关节仿生海豚各关节的合力；将各个时刻多关节仿生海豚各关节的合力代入所述动力学模型，计算得到各个时刻多关节仿生海豚各关节的力矩以及沿前进方向的位移、速度和加速度，并返回所述根据所述多关节仿生海豚各个时刻的速度
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阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力的步骤。6.一种多关节仿生海豚运动控制系统，其特征在于，包括：三维模型建立及前处理模块，用于建立多关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型并进行前处理，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁志群，常宇轩，陈晨，郑清松，洪锦祥，曾佑荣，陈长泰，刘昌生，林晓波，夏丹丹，林立，
申请(专利权)人：福建省交通规划设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：