Welcome-球速体育柔性仿生蹼水下运动控制方法及系统

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　　本发明涉及仿生学及自动控制技术领域，特别涉及一种基于计算流体力学数值分析的柔性仿生蹼水下运动控制方法及系统。

　　近年来，仿生技术已被广泛应用于动力驱动、环境感知等机器人领域，特别是在水下机器人领域。相比于传统的螺旋桨驱动方式，仿生驱动具有噪音小、效率高、对水下环境干扰少等特点，受到越来越多研究人员的关注。柔性仿生蹼推进器是一种以潜水脚蹼为仿生原型的水下推进器，通过电机控制，使得柔性仿生蹼在水中以特定频率和幅值进行拍动运动，从而产生推进力。

　　近年来，研究人员设计了多种仿生蹼推进的水下机器人。早在2004年，加拿大麦吉尔大学和约克大学设计了一款以刚性蹼作为动力驱动的两栖机器人。2008年，褚定慧等设计了一款仿水翼的水下航行器。但以上大多数研究人员侧重于机构的设计，较少考虑柔性仿生蹼的建模方法，从而使得对水下机器人的运动控制不够准确，导致水下机器人的推进效率低。

　　为了解决现有技术中的上述问题，即为了提高水下机器人的推进效率，本发明的目的在于提供一种柔性仿生蹼水下运动控制方法及系统。

　　基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　可选地，所述基于各时刻的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型，具体包括：

　　基于所述升力系数、阻力系数及角度模型，确定微元升力模型、微元阻力模型及变形角度模型；

　　根据所述角度模型、微元升力模型、微元阻力模型及变形角度模型，确定所述柔性仿生蹼的动力学模型，所述动力学模型包括所述柔性仿生蹼产生的x方向水动力模型和y方向水动力模型。

　　其中，θ(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼根部转动的角度模型；α表示柔性仿生蹼根部转动的中心角度；β表示柔性仿生蹼根部转动角度的幅值；表示柔性仿生蹼根部转动的初始相位；t表示柔性仿生蹼根部转动的旋转周期。

　　其中，dfp表示微元升力模型，dfn表示微元阻力模型，cl表示柔性仿生蹼的升力系数，cd表示柔性仿生蹼的阻力系数，ρ表示流体密度，表示在时刻t下柔性仿生蹼根部转动的角速度；r表示微元与柔性仿生蹼根部在水平方向的距离；c和dr表示微元的边长；v⊥表示微元线速度，dsf表示微元表面积；

　　其中，m(r,t)表示在时刻t下在水平方向距离柔性仿生蹼根部为r处的微元处的弯矩模型，cm表示弯矩系数，a和b分别表示柔性仿生蹼的边长，x表示水平方向的距离，在柔性仿生蹼根部时x＝0，l表示柔性仿生蹼末端与柔性仿生蹼根部在水平方向上的距离，γ(r,t)表示在时刻t下柔性仿生蹼在水平方向距离柔性仿生蹼根部为r处的微元处的变形角度模型，ei表示柔性仿生蹼的抗弯刚度，d表示常数。

　　其中，ff_x(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼产生的x方向水动力模型，ff_y(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼产生的y方向水动力模型；θ(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼的根部转动的角度，γ(r,t)表示在时刻t下柔性仿生蹼在水平方向距离柔性仿生蹼根部为r处的微元处的变形角度模型，dfp表示微元升力模型，dfn表示微元阻力模型，dr表示微元的边长，l表示柔性仿生蹼末端与柔性仿生蹼根部在水平方向上的距离。

　　可选地，所述基于所述柔性仿生蹼的形状及当前的流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据，具体包括：

　　采用ansys软件，根据所述柔性仿生蹼的形状及当前的流场区域，进行初次仿真，得到所述柔性仿生蹼的网格模型；

　　采用ansys软件，基于所述网格模型，进行二次仿真，得到所述柔性仿生蹼的仿真拍动运动；

　　为解决上述技术问题，本发明还提供了如下方案：一种柔性仿生蹼水下运动控制系统，所述控制系统包括：

　　获取单元，用于获取在不同时刻下的柔性仿生蹼的根部转动的角度、升力系数和阻力系数；

　　建模单元，用于基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　仿真单元，用于基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　预测单元，用于基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行以下操作：

　　基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时，使得所述电子设备执行以下操作：

　　基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　本发明根据在不同时刻下的柔性仿生蹼的根部转动的角度、升力系数和阻力系数，建立柔性仿生蹼的动力学模型，基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行仿真实验，得到仿真数据，进而预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力，通过控制输出推进力，使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进，提高水下机器人的推进效率。

　　图5为根据本发明实施例的流固耦合仿线为本发明柔性仿生蹼水下运动控制系统的模块结构示意图。

　　下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

　　本发明的目的是提供一种柔性仿生蹼水下运动控制方法，根据在不同时刻下的柔性仿生蹼的根部转动的角度、升力系数和阻力系数，建立柔性仿生蹼的动力学模型，基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行仿真实验，得到仿真数据，进而预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力，通过控制输出推进力，使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进，提高水下机器人的推进效率。

　　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。

　　步骤100：获取在不同时刻下的柔性仿生蹼的根部转动的角度、升力系数和阻力系数；

　　步骤200：基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　步骤300：基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　步骤400：基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　通过控制电机驱动，使柔性仿生蹼在水中以特定频率和幅值进行拍动运动，产生对应的推进力，从而确保所述柔性仿生蹼在水中稳定行进

　　其中，在步骤200中，所述基于各时刻的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型，具体包括：

　　其中，步骤210用于描述给定柔性仿生蹼的运动学规律，柔性仿生蹼根部转动由电机驱动。

　　其中，θ(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼根部转动的角度模型；α表示柔性仿生蹼根部转动的中心角度；β表示柔性仿生蹼根部转动角度的幅值；

　　步骤220：基于所述升力系数和阻力系数，确定微元升力模型、微元阻力模型及变形角度模型。

　　步骤230：根据所述角度模型、微元升力模型、微元阻力模型及变形角度模型，确定所述柔性仿生蹼的动力学模型，所述动力学模型包括所述柔性仿生蹼产生的x方向水动力模型和y方向水动力模型。

　　其中，如图2所示，步骤220和步骤230采用微元法分析，并结合固体的弹性变形理论进行建模。

　　其中，dfp表示微元升力模型，dfn表示微元阻力模型，cl表示柔性仿生蹼的升力系数，cd表示柔性仿生蹼的阻力系数，ρ表示流体密度，

　　其中，m(r,t)表示在时刻t下在水平方向距离柔性仿生蹼根部为r处的微元处的弯矩模型，cm表示弯矩系数，a和b分别表示柔性仿生蹼的边长，x表示水平方向的距离，在柔性仿生蹼根部时x＝0，l表示柔性仿生蹼末端与柔性仿生蹼根部在水平方向上的距离，γ(r,t)表示在时刻t下柔性仿生蹼在水平方向距离柔性仿生蹼根部为r处的微元处的变形角度模型，ei表示柔性仿生蹼的抗弯刚度，d表示常数。

　　其中，ff_x(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼产生的x方向水动力模型，ff_y(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼产生的y方向水动力模型；θ(t)表示在时刻t下柔性仿生蹼的根部转动的角度，γ(r,t)表示在时刻t下柔性仿生蹼在水平方向距离柔性仿生蹼根部为r处的微元处的变形角度模型，dfp表示微元升力模型，dfn表示微元阻力模型，dr表示微元的边长，l表示柔性仿生蹼末端与柔性仿生蹼根部在水平方向上的距离。

　　在步骤300中，所述基于所述柔性仿生蹼的形状及当前的流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据，具体包括：

　　步骤310：采用ansys软件，根据所述柔性仿生蹼的形状及当前的流场区域，进行初次仿真，得到所述柔性仿生蹼的网格模型。

　　步骤311：使用ansysdesignmodeler软件，基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，进行初次仿真，得到柔性仿生蹼原型和流场区域，如图3所示。

　　步骤312：使用ansysicem软件对柔性仿生蹼原型和流场区域进行网格划分，得到柔性仿生蹼的网格模型(如图4所示)。在本实施例中，采用非结构化网格划分方法。

　　步骤320：采用ansys软件，基于所述网格模型，进行二次仿真，得到所述柔性仿生蹼的仿真拍动运动。

　　其中，步骤320中计算流固耦合方法采用ansys软件实现，动网格方法采用udf文件自定义仿生蹼的运动过程。

　　s324：在fluent模块中完成流体仿线：在transientstructural模块中完成固体仿线：在systemcoupling模块中实现流固耦合运动仿线：采用ansys软件，在仿真拍动运动的过程中，得到所述仿真数据。

　　通过流体力学后处理计算得到柔性仿生蹼拍动运动过程产生的仿真数据。在本实施例中，采用ansyscfd-post软件实现。

　　本发明实例通过采用上述技术方案，能简化复杂的流体力学计算和流固耦合分析，建立柔性仿生蹼在水中拍动的动力学模型，为柔性仿生蹼作为水下仿生驱动机构的应用提供了理论支撑。

　　此外，本发明还提供一种柔性仿生蹼水下运动控制系统，可提高水下机器人的推进效率。

　　如图6所示，本发明柔性仿生蹼水下运动控制系统包括获取单元1、建模单元2、仿线。

　　其中，所述获取单元1用于获取在不同时刻下的柔性仿生蹼的根部转动的角度、升力系数和阻力系数；

　　所述建模单元2用于基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　所述仿线用于基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　所述预测单元4用于基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行以下操作：

　　基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时，使得所述电子设备执行以下操作：

　　基于各时刻下的角度、升力系数和阻力系数，建立所述柔性仿生蹼的动力学模型；

　　基于所述柔性仿生蹼的形状及当前流场区域，对所述柔性仿生蹼进行拍动运动的仿真实验，确定仿真数据；所述仿真数据包括所述柔性仿生蹼在当前流场区域下的升力系数和阻力系数；

　　基于所述柔性仿生蹼的动力学模型，根据所述仿真数据，预测所述柔性仿生蹼在当前流场区域下各时刻拍动运动产生的推进力；所述推进力用于使所述柔性仿生蹼在水中稳定行进。

　　相对于现有技术，本发明柔性仿生蹼水下运动控制系统、计算机可读存储介质与上述柔性仿生蹼水下运动控制方法的有益效果相同，在此不再赘述。

　　至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。