仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仿生触须传感器技术领域，尤其涉及一种仿生海豹触须传感器的动力 学特性的分析方法。
【背景技术】
[0002] 海洋油气资源和深海矿产资源开发是具有战略意义的新兴领域，具有巨大的开发 潜力。在海洋资源勘探开发过程中，自主水下机器人是必不可少的工具之一，其通常使用相 机或声纳技术作为感知系统，其中，相机不适用于浑浊或黑暗的水体，而声纳和声学系统非 常昂贵、电池性能也有限。与依赖视觉和听觉的水下传感器相比，近年来研宄的仿海豹触须 传感器通过水流变化感知到周围物体，更适合于水下机器人的感知系统。
[0003] 蒙住眼睛的海豹能借助胡须感知只有0. 7 μπι因微小猎物引起的水流扰动，实现 猎物跟踪。2010年，Β. Stocking等受到海豹触须感知功能的启发，以电容为基础，研发出了 能感知水流速度和方向的人工触须传感器，将刚性人工触须安装到叠锥型的平行电容基体 上，并通过PDMS薄膜提供必要的阻尼和恢复力。2013年，Robyn Grant等通过实验方法研宄 了海豹辨识物体大小的方法，结果表明，海豹通过接触物体的触须数量快速确定物体大小， 一般不超过400ms。W. C. Eberhardt等对传感器进行了改进：调整触须变形测试模式、增加 内圆锥尺寸、用银环氧树脂电镀、屏蔽信号线路、减小电容以抑制电压输出范围。改进后的 传感器增益最高达到了改进前的300倍。Mohsen Asadnia等通过金线将10个触须传感器 互联，并封装到柔性液晶聚合物培养基上。
[0004] 目前仿生触须传感器的研宄大多侧重其接触机理及物体特征的提取，而对于影响 其辨识精度和可靠性的动力学特性缺乏深入了解。仿海豹触须具有质量轻、细长比大、中 空、变截面及高柔性的特点，其振动特性容易受到水动力的影响，对传感器的稳定性和精度 控制提出了更高要求。鉴于此，为保证水流状态下仿海豹触须传感器的辨识精度，需要深入 了解水流状态下仿海豹触须传感器的动力学特性。流-固耦合动力学问题一直是学术界的 难点，增加了水流状态下仿海豹触须传感器动力学研宄的难度，有研宄人员通过加速度传 感器和激光唯一传感器对仿生海豹触须传感器的动力学特性进行研宄，但是由于加速度传 感器难于固定到触须上，且其相对质量过大，会严重影响触须的振动特征，而激光位移传感 器测试量程固定，不能准确捕捉流动状态下仿海豹触须传感器的实时振动特征。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对目前对于仿生海豹触须传感器的分析存在不 足，本发明提供了一种仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法来解决上述问题。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿生海豹触须传感器的动力学 特性的分析方法，包括以下步骤：
[0007] A1、将一根仿生海豹触须分成连续多个Timoshenko梁段，令所述Timoshenko梁 段的左端面的弯矩和剪切力分别为Mi+ Qp1，右端面的弯矩和剪切力分别为Mi, Qi,建立所述 Timoshenko梁段的运动学方程如下：
[0008]
[0009] 其中，y(x, t)为所述Timoshenko梁段上任一点的直线位移；A为Timoshenko梁段 横截面积；m为单位长度的Timoshenko梁段质量；E为杨氏弹性模量；G为剪切模量；k为剪 切系数；I为二阶截面惯性矩；1为梁段长度；
[0010] 建立所述Timoshenko梁段的动平衡方程如下：
[0011]
[0012] 兵屮，《刀所还Iimosnenlio栄拐:丄任一点的角位移；
[0013] Α2、根据所述Timoshenko梁段的运动学方程和动平衡方程得到所述Timoshenko 梁段左端面的状态矢量表达式如下：
[0014]
[0015] 以及所述Timoshenko梁段右端面的状态矢量表达式如下：
[0016]
[0017] A3、4
则所述Timoshenko梁段左端面和右端 面状态矢量的关系为：
[0018]
[0019] 则所述Timoshenko梁段左端面和右端面的传递关系矩阵为：
[0020]
[0021] 则所述仿生海豹触须整体的传递关系为：
[0022] {z}i= [Di] [Di_J [Di^2]--- [D2] [D1] {ζ}〇= [Η] {z} 〇；
[0023] A4、将所述仿生海豹触须整体的传递关系修改为：
[0024] {z}i= [Η] ({ζ} 〇-{Δζ})〇-{Δζ}?；
[0025] 并将所述仿生海豹触须整体的传递矩阵为：
[0026]
[0027] 其中P为所述仿生海豹触须整体所受到的剪切力，计算所述仿生海豹触须上任一 点直线位移针对剪切力的频响函数Hcitl和角位移针对剪切力的频响函数N QQ:
[0028]
[0029]
[0030] 同理可得所述仿生海豹触须上任一点直线位移针对弯矩的频响函数1^和角位移 针对弯矩的频响函数ΡΜ。
[0031] 2、如权利要求1所述的仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法，其特征在 于：还包括以下步骤来得到水流对仿生海豹触须的动态作用力分布：
[0032] 建立广义隐马尔科夫模型（GHMM):
[0033] λ = (Ν, Μ, π , A, B)；
[0034] 其中，N表示隐状态数目，隐状态可以表示为S = (S1J2,...，SN}，在t时刻， 隐状态变量为qt;M表示每个状态的可能观测数目，每个状态的观测结果可表示为V = Iv1, V2, . . .，vN}，在t时刻的观测值为〇1;观测序列记为0 = {〇 ^ 〇2, . . .，oN}，观测序列上界 为〇=丨〇|，〇：2，.__，〇\丨，观测序列下界为0={仏，^2，...，仏};
[0035] 通过Baum-Welch算法，可得广义隐马尔科夫模型训练公式如下：
[0036]
[0037] 从而得到GHMM参数的上下界重估公式，如0(人I)取得最大值，可得GHMM参数上 界重估公式如下：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] 其中，4表示由状态i转移到状态j的状态转移区间概率的下界；表示在状 态j前提下，观测值为k的观测区间概率的下界； <表示状态i初始状态区间概率的下界； <(/，/)表示t时刻为i状态，t+i时刻为j状态的区间概率下界；r/C/)表示t时刻状态为 j的区间概率下界；
[0042] 最终推导出水流对所述仿生海豹触须的动态作用力分布如下：
[0043]
[0044] 其中，哈密尔顿算子 u是速度矢量，g是重力矢量，▽ P是压 ) 力差，P是密度
f V2U是扩散项。
[0045] 本发明的有益效果是，这种仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法采用多 段Timoshenko梁理论和传矩阵法分析自由状态仿生海豹触须的动力学特性，揭示弹性模 量、剪切系数、阻尼比以及截面尺寸等参数对结构固有振动特性的影响规律，对于仿生海豹 触须传感器的发展进步具有重大意义。
【附图说明】
[0046] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0047] 图1是本发明仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法的最优实施例所基 于自由状态下的仿生海豹触须的动力学模型的示意图。
[0048] 图2是本发明仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法的最优实施例对完 整的仿生海豹触须的分段示意图。
[0049] 图3是仿生海豹触须自由端的频响函数的图谱。
[0050] 图4是仿生海豹触须连接处的频响函数的图谱。
[0051] 图5是仿海豹触须传感器的动力学模型的示意图。
[0052] 图6是广义隐马尔科夫模型的示意图。
[0053] 图7是仿生海豹触须的结构响应图谱。
【具体实施方式】
[0054] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考 附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反， 本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同 物。
[0055] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、 "厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"、"轴向"、 "径向"、"周向"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便 于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以 特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0056] 此外，术语"第一"、"第二"等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要 性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"相连"、"连接" 应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连 接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通 技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述 中，除非另有说明，"多个"的含义是两个或两个以上。
[0057] 本发明提供了一种仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法，包括以下步 骤：
[0058] A1、将一根仿生海豹触须分成连续多个Timoshenko梁段，如图1所示，此为自由状 态下的仿生海豹触须的动力学模型，令T