多关节仿生海豚运动控制方法、系统及水下损伤探测方法与流程

1.本发明涉及仿生机器人及水下工程结构损伤探测技术领域，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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.本发明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。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一方面，本发明提供一种多关节仿生海豚运动控制方法，包括：
6.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；
7.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-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；
8.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；
9.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-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；
10.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。
11.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：
12.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；
13.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。
14.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-阻力拟合曲线，具体包括：
15.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-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；
16.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；
17.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；
18.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-阻力拟合曲线。
19.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：
20.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。
21.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-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：
22.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；
23.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-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；
24.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-阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力的步骤。
25.另一方面，本发明还提供一种多关节仿生海豚运动控制系统，包括：
26.三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；
27.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-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；
28.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，推导出多关节仿生海豚的动力学模型；
29.动力学耦合模块，用于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-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；
30.海豚运动控制模块，用于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。
31.可选地，所述三维模型建立及前处理模块具体包括：
32.三维模型建立单元，用于在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；
33.前处理单元，用于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。
34.可选地，所述水动力仿真模块具体包括：
35.模型文件导入单元，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star-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；
36.推力曲线计算单元，用于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；
37.水动力曲线计算单元，用于依据相对运动原理，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；
38.速度-阻力拟合曲线计算单元，用于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-阻力拟合曲线。
39.可选地，所述动力学分析模块具体包括：
40.动力学分析单元，用于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。
41.可选地，所述动力学耦合模块具体包括：
42.动力学模型搭建单元，用于在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；
43.各关节力矩计算单元，用于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-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；
44.海豚位移及速度计算单元，用于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-阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力的步骤。
45.另一方面，本发明还提供一种基于多关节仿生海豚运动控制的水下损伤探测方法，包括：
46.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；所述多关节仿生海豚的头部装备有声纳系统；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；
47.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-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；
48.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；
49.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-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；
50.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，从而精准控制多关节仿生海豚在被检测的水下工程结构附近进行匀速运动与定位悬浮，通过搭载在多关节仿生海豚头部的声纳系统实现对水下工程结构损伤部位的目标识别与定位。
51.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
52.本发明提供了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，其中所述多关节仿生海豚运动控制方法包括：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，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、水动力曲线以及多关节仿生海豚各个时刻的速度-阻力拟合曲线；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-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。本发明方法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，削弱了外界对多关节仿生海豚的影响，提高了稳定性。
53.进一步地，本发明通过在多关节仿生海豚头部加装声纳系统，还可以通过该精准的多关节仿生海豚运动控制方法实现水下工程结构的损伤探测及定位标识。
附图说明
54.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
55.图1为本发明一种多关节仿生海豚运动控制方法的流程图；
56.图2为本发明实施例提供的推力曲线示意图；
57.图3为本发明实施例提供的静水域工况下水动力曲线示意图；其中图3(a)～(f)分别对应仿生海豚以0.2m/s、0.6m/s、1m/s、1.4m/s、1.8m/s、2.2m/s的速度在静水域工况下运动时的水动力曲线示意图；
58.图4为本发明实施例提供的静水域工况下速度-阻力拟合曲线的示意图；
59.图5为本发明提供的动力学分析过程示意图；
60.图6为本发明提供的matlab软件中搭建出的动力学模型的示意图；
61.图7为本发明提供的动力学耦合技术的过程示意图；
62.图8为本发明实施例提供的动力学参数的曲线图；其中图8(a)为力矩随时间变化的曲线图，图8(b)为各运动参数(加速度、速度、位移)随时间变化的曲线图；
63.图9为本发明一种基于多关节仿生海豚运动控制的水下损伤探测方法的流程图。
具体实施方式
64.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.本发明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。
66.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
67.图1为本发明一种多关节仿生海豚运动控制方法的流程图。参见图1，本发明一种多关节仿生海豚运动控制方法，具体包括：
68.步骤1：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。
69.具体地，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软件中对该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。
70.步骤2：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-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。
71.具体地，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-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，将该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上述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。根据上述求得的推力曲线和水动力曲线，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-阻力拟合曲线。
72.步骤3：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。
73.具体地，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。
74.步骤4：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-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。
75.具体地，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-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-阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力的步骤。
76.步骤5：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。
77.具体地，基于仿真得到的动力学参数，应用pwm脉宽调制技术进行控制策略的编写，通过将有效的电信号分散成离散形式从而来调整电信号所传递的平均功率，即可以控制每个时刻多关节仿生海豚关节处的输出力矩，从而削弱外界对多关节仿生海豚的影响，以提高稳定性。
78.本发明方法可以提高多关节仿生海豚在工作时的稳定性，通过该方法可对多关节仿生海豚的动力学参数进行预测，得到多关节仿生海豚工作时每个时刻关节处对应的力矩，通过pwm脉宽调制技术，可以通过将有效的电信号分散成离散形式从而来调整电信号所传递的平均功率，即可以控制每个时刻关节处的输出力矩，从而削弱外界对多关节仿生海豚的影响，提高稳定性。并且当多关节仿生海豚以某一种运动学方程运动时，通过本发明方法还可以预测出其每时刻的加速度、速度、位移等参数。对应某一种特定的多关节仿生海豚，即确定的质量、长度、体积等参数，通过本发明方法还可以进一步得到其最大前进速度及对应的运动学方程。
79.下面以两关节仿生海豚在静水域运动为例，提供本发明多关节仿生海豚运动控制方法的一个具体实施例，该方法实施例具体包括以下步骤：
80.s1：建立两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。
81.在solidworks三维绘图软件中建立两关节仿生海豚(简称海豚)的三维模型和计算域三维模型；所述三维模型用于模拟两关节仿生海豚的运动方式；所述计算域三维模型用于两关节仿生海豚的水动力仿真。将所述两关节仿生海豚的三维模型和计算域三维模型导入至hypermesh软件中对该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。
82.s2：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，得到静水域工况下的推力曲线、水动力曲线以及两关节仿生海豚各个时刻的速度-阻力拟合曲线。
83.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-ccm+中完成计算域建立，生成体网格，定义边界，定义两关节仿生海豚变形运动等操作。设置计算域水流速度为0m/s，令两关节仿生海豚尾部按预设的θ
21
(t)和θ
32
(t)方程摆动，计算出两关节仿生海豚以预设运动学方程摆动时的推力曲线，作为静水域工况下的推力曲线，如图2所示，此时的水动力为纯推力，将该推力曲线(推力数据)导出至中间文件表格。
84.θ
21
(t)＝0.3878sin(3πt)
85.θ
32
(t)＝-0.5824sin(3πt+π/2)
86.进一步地，依据相对运动原理，将两关节仿生海豚在上述推力作用下的直线运动速度转化为水流的速度进行水动力仿真，逐步增加水流速度，直至两关节仿生海豚在上述推力作用下的理论推进速度，计算出两关节仿生海豚以某一运动学方程摆动时加速运动过程中不同运动速度下的水动力数值曲线(即水动力曲线)，如图3所示，此时的水动力为合力
大小，即推力减去阻力。
87.进一步地，结合上述求得的推力曲线和水动力曲线，求差并拟合出各个时刻两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，作为两关节仿生海豚各个时刻的速度-阻力拟合曲线，如图4所示。图4中横坐标为速度v，纵坐标为阻力f。图3中各个时刻的速度-阻力拟合曲线的公式如表1所示。
88.表1
[0089][0090][0091]
s3：对所述两关节仿生海豚进行动力学分析，推导出两关节仿生海豚的动力学模型。
[0092]
对两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，将两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，推导出两关节仿生海豚的动力学模型。
[0093]
图5为本发明提供的动力学分析过程示意图。图中x0y0为地球坐标系，x1y1、x2y2、x3y3分别为海豚身体、尾柄、尾鳍上建立的坐标系。如图4所示，为简化过程做出如下假设：
[0094]
a.海豚各部分简化为质量分布均匀的杆件，质心为几何中心，并视为刚体；
[0095]
b.不考虑尾柄和尾鳍摆动产生的重心和浮心的变化；
[0096]
c.只考虑海豚的前进工况，且海豚只会产生x方向的位移。
[0097]
海豚在此条件下具有3个自由度，各关节的关系通过坐标系的变换来描述，f1、f2、f3分别为海豚身体、尾柄、尾鳍所受水动力，都集成在各部分的质心；m
21
、m
32
为海豚身体各部分连接处的力矩，其中m
21
为海豚身体和尾柄连接处的力矩，m
32
为海豚尾柄和尾鳍连接处的力矩；尾鳍和尾柄的长度分别为l2、l3，海豚身体、尾柄、尾鳍的质量分别为m1、m2、m3，采用拉格朗日方法对其进行动力学分析，将最终得到的结果整理成矩阵形式：
[0098][0099]
其中，
[0100][0101][0102][0103][0104][0105]
该矩阵(1)为推导得到的动力学模型，模型(1)中θ
21
、θ
32
分别表示海豚尾柄和尾鳍的摆动函数；x
10
表示海豚沿x0方向的位移；f
1x
为海豚身体在x0方向的受力；f
2x
、f
2y
分别为f2在x0y0坐标系的x0轴和y0轴上的投影；f
3x
、f
3y
分别为f3在x0y0坐标系的x0轴和y0轴上的投影。
[0106]
该动力学模型在给定θ
21
(t)、θ
32
(t)情况下，可以求得m
21
(t)、m
32
(t)、x
10
(t)，即给定t时刻尾柄和尾鳍的摆动函数θ
21
(t)、θ
32
(t)，可以算得t时刻海豚沿x0方向的位移函数x
10
(t)、尾柄和尾鳍的阻力矩m
21
(t)、m
32
(t)。应用此动力学模型亦可研究反解问题，即给定m
21
(t)、m
32
(t)可反推出θ
21
(t)、θ
32
(t)、x
10
(t)。
[0107]
s4：根据所述两关节仿生海豚的动力学模型、静水域工况下的推力曲线以及两关节仿生海豚各个时刻的速度-阻力拟合曲线，完成两关节仿生海豚的动力学耦合，得到两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两关节仿生海豚各关节的力矩和加速度、速度、位移。
[0108]
在matlab软件中搭建出所述两关节仿生海豚的动力学模型，如图6所示，图6中
velocity、acceleration、displacement分别表示速度、加速度、位移；为matlab中的积分模块，作积分运算使用，其中加速度积分为速度，速度积分为位移；为matlab中的延时模块，功能为记录上一个时间步的数据，在本时间步中使用，在本发明动力学模型中是用于记录上一个时间步得到的速度。图5中对应模块下方的x
10
、θ
21
、θ
32
三个参数表示在拉格朗日方法中将其定义为广义坐标。
[0109]
在matlab软件动力学模型中设置好两关节仿生海豚的质量、长度等参数。
[0110]
将所述动力学模型中的力项分解为推力减去阻力，推力为所述静水域工况下的推力曲线(即水流速度为0m/s时的水动力曲线)中对应的推力，进一步地，matlab读取中间文件中第一个时间步的推力数据，此时两关节仿生海豚的速度为0m/s，阻力为0，利用推力减去阻力计算得到第一个时间步两关节仿生海豚各关节的合力，从而得到动力学模型中的f
1x
、f
2x
、f
3x
、f
2y
、f
3y
；随后将第一个时间步的合力代入动力学模型中进行动力学计算，计算出该时间步下对应的两关节仿生海豚的各关节力矩、位移、速度、加速度。进一步地，以该速度作为下一步动力学模型仿真的初始条件，将该速度带入到拟合得到的速度-阻力曲线中算得到下一步的阻力的大小。进一步的，matlab读取中间文件中第二个时间步的推力数据，此时的合力(水动力)为读取的数据减去上一步算出的阻力，再由动力学模型仿真得出第二个时间步对应的速度。如此往复，完成两关节仿生海豚的单向动力学耦合，过程如图7所示。最终得到两关节仿生海豚在不同工况下各关节的力矩和加速度、速度、位移等动力学参数的动态图像，如图8所示。
[0111]
通过以上动力学耦合，可得到两关节仿生海豚在不同工况下各关节的力矩，应用pwm脉宽调制技术进行控制策略的编写，可以削弱工作时外界对两关节仿生海豚的影响，提高稳定性。通过动力学耦合，当两关节仿生海豚各关节以种状态运动时，可以预测出其每时刻的加速度、速度、位移等参数。对应某一种特定的两关节仿生海豚，即确定的质量、长度、体积等参数，通过本发明方法还可以得到其最大运动速度及对应的运动学方程。
[0112]
s5：根据所述两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两关节仿生海豚各关节处的输出力矩。
[0113]
基于仿真得到的动力学参数，应用pwm脉宽调制技术进行控制策略的编写，通过将有效的电信号分散成离散形式从而来调整电信号所传递的平均功率，即可以控制每个时刻两关节仿生海豚关节处的输出力矩，从而削弱外界对两关节仿生海豚的影响，以提高稳定性。
[0114]
基于本发明提供的方法，本发明还提供一种多关节仿生海豚运动控制系统，所述系统包括：
[0115]
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；
[0116]
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-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；
[0117]
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，推导出多关节仿生海豚的动力学模型；
[0118]
动力学耦合模块，用于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-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；
[0119]
海豚运动控制模块，用于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。
[0120]
其中，所述三维模型建立及前处理模块具体包括：
[0121]
三维模型建立单元，用于在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；
[0122]
前处理单元，用于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。
[0123]
所述水动力仿真模块具体包括：
[0124]
模型文件导入单元，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star-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；
[0125]
推力曲线计算单元，用于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；
[0126]
水动力曲线计算单元，用于依据相对运动原理，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；
[0127]
速度-阻力拟合曲线计算单元，根据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-阻力拟合曲线。
[0128]
所述动力学分析模块具体包括：
[0129]
动力学分析单元，用于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。
[0130]
所述动力学耦合模块具体包括：
[0131]
动力学模型搭建单元，用于在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；
[0132]
各关节力矩计算单元，用于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-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；
[0133]
海豚位移及速度计算单元，用于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-阻力拟合曲线得到各个时刻下的阻力的步骤。
[0134]
基于本发明提供的方法，本发明还提供一种基于多关节仿生海豚运动控制的水下损伤探测方法，如图9所示，水下损伤探测方法包括：
[0135]
步骤901：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；所述多关节仿生海豚的头部装备有声纳系统；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；
[0136]
步骤902：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-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；
[0137]
步骤903：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；
[0138]
步骤904：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-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；
[0139]
步骤905：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，从而控制多关节仿生海豚在被检测的水下工程结构处进行匀速运动与定位悬浮，通过搭载在多关节仿生海豚头部的声纳系统实现对水下工程结构损伤部位的目标识别与定位。
[0140]
本发明通过在多关节仿生海豚头部加装声纳系统，就可以通过本发明精准的多关节仿生海豚运动控制方法实现水下工程结构的损伤探测及定位标识。
[0141]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0142]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。