CN112672063A - 海豚自由游动的运动学记录装置 - Google Patents

Abstract

一种海豚自由游动的运动学记录装置，属于仿生流体力学领域。本发明针对现有技术中获取的海豚游动轨迹的数据误差大的问题。采用透明水箱用于为海豚提供游动空间，照明光源提供光照度；一号高速照相机对应透明水箱一侧壁居中设置，二号高速照相机对应透明水箱一端壁居中设置；一号激光发射装置对应透明水箱另一端壁设置，二号激光发射装置对应透明水箱一侧壁的相对侧壁设置；一号高速照相机上设置一号激光接收装置，二号高速照相机上设置二号激光接收装置；激光接收装置在接收激光发射装置发射的信号后，控制相应高速照相机快门的触发。本发明实现了海豚运动学数据的精确记录。

Description

海豚自由游动的运动学记录装置

技术领域

本发明涉及海豚自由游动的运动学记录装置，属于仿生流体力学领域。

背景技术

随着对海洋探索步伐的加快，各种水下航行器快速发展起来。不论在军事还是民用领域，水下航行器都发挥着不可替代的作用。

海洋中多种多样的鱼类经历了漫长的环境适应过程，具备了高速游动、能耗低以及低噪音等优良性能。基于此，许多专家学者把水下航行器研究的重点放在了制造仿鱼类水下机器人上面。与传统水下机器人相比，仿鱼类水下机器人具有以下优势：

首先，流线型的外形使其具有出色的流体力学性能，游动效率高并且能量消耗少；其次，具有的高度机动性使其可以自如应对各种突发事件；再次，利用鱼鳍作为推进装置可以减少噪音，加强隐身能力。

在各种鱼类中，海豚以其出色的游泳能力而闻名。海豚在游动速度、推进效率、能量消耗等方面都具有比普通鱼类更大的优势。经实验测试，海豚的游动速度最高可以达到20节左右。如此高速高效的推进机制使研究人员对海豚背后的水动力机制特别感兴趣。自1936年著名的“格雷悖论”提出以来，人们进行了大量实验研究和数值研究，试图解释海豚游泳的基本流体动力学。然而，由于实验测量技术上的困难和有限的计算能力，对海豚具备的流体力学性能和相关的流动机理仍然难以明确。

海豚在游动时产生的水动力/压力以及有关流场的信息，如压力、速度和涡度，是理解海豚流动机理的关键因素。不过，要获得海豚在公海中游泳的力/压力或流场信息是非常困难的。Fish等人通过测量大型室外游泳池中游动海豚尾迹附近的流场，得出了结论，海豚尾鳍地摆动可产生强烈的涡，并据此估算了推力大小。然而，对海豚复杂的身体形态和游动方式进行建模成为了数值模拟的主要挑战。海豚在一个尾拍周期内身体的动态变形使得重建海豚运动模型非常具有挑战性。Wang对海豚模型的游泳速度进行了评估，并用正弦函数规定了尾鳍运动。Tanaka测量了海豚游泳的加速度和减速度，并计算了一个静态的海豚模型的水动力阻力。

之所以很难准确的计算出海豚水动力性能，很大程度上是因为无法精确的重建海豚模型。而精确的海豚模型建立需要清楚的了解海豚的游动轨迹。目前，对海豚游动轨迹的获取方式需要人工参与，自动化程度低；并且获得的运动学数据误差大，因此无法满足精确建立海豚模型的要求。

发明内容

针对现有技术中获取的海豚游动轨迹的数据误差大的问题，本发明提供一种海豚自由游动的运动学记录装置。

本发明的一种海豚自由游动的运动学记录装置，包括透明水箱、一号高速照相机、二号高速照相机、照明光源、一号激光发射装置、二号激光发射装置、一号激光接收装置和二号激光接收装置；

透明水箱用于为海豚提供游动空间，并使海豚只能沿长度方向单向游动；照明光源用于为透明水箱提供光照度；

一号高速照相机对应透明水箱一侧壁居中设置，二号高速照相机对应透明水箱一端壁居中设置；所述一侧壁对应海豚游动方向身体的右侧，一端壁对应海豚游动方向身体的后侧；一号激光发射装置对应透明水箱另一端壁设置，二号激光发射装置对应透明水箱一侧壁的相对侧壁设置；一号高速照相机上设置一号激光接收装置，二号高速照相机上设置二号激光接收装置；

一号激光接收装置在接收二号激光发射装置发射的信号后，控制一号高速照相机快门的触发；二号激光接收装置在接收一号激光发射装置发射的信号后，控制二号高速照相机快门的触发。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，一号高速照相机和二号高速照相机成正交排列。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，两个激光发射装置均包括发光二极管，用于发射激光信号。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，两个激光接收装置均包括光敏电阻，用于接收激光信号。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，两个激光接收装置还包括TTL逻辑电路，在光敏电阻接收激光信号后，通过TTL逻辑电路控制相应照相机快门的触发。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，一号激光发射装置处于二号激光接收装置与二号高速照相机焦点连线的延长线上；二号激光发射装置处于一号激光接收装置与一号高速照相机焦点连线的延长线上。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，一号高速照相机和二号高速照相机的焦点重合于同一点。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，一号高速照相机和二号高速照相机的分辨率至少为1024*1024像素，以1000Hz的频率运行，快门速度至少为1/20000s。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，两台高速照相机的响应时间通过主从***进行同步。

根据本发明的海豚自由游动的运动学记录装置，所述照明光源为卤素灯，使用直流电源供电。

本发明的有益效果：本发明在将误差最小化的基础上实现了海豚运动轨迹的精确测量。有了精确的海豚运动学数据，就可以进一步对海豚进行精确的建模工作以及进行更准确的海豚水动力性能计算。

所述激光接收装置同步控制两台照相机，可以使照相机快门在海豚通过激光交汇点的瞬间启动，保证了获取数据的同步和准确。本发明使用了两台正交排列的高速相机，从两个角度记录海豚的运动模式，通过控制可使两台相机拍照之间的误差影响降至纳秒以内，保证了数据的可靠性。本发明的两台相机采用了快门的自动触发方式，在整个数据记录的过程中不需要人为的参与，消除了由于人为干预产生的误差，测得的数据更加精确。由此实现了海豚运动学数据的精确记录。

本发明装置在使用时，只需预先设置好各种仪器的参数，即可自动完成海豚游动的拍摄，可将误差的产生因素降至最低。

附图说明

图1是本发明所述海豚自由游动的运动学记录装置的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的俯视图。

具体实施方式

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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图3所示，本发明提供了一种海豚自由游动的运动学记录装置，包括透明水箱1、一号高速照相机21、二号高速照相机22、照明光源3、一号激光发射装置41、二号激光发射装置42、一号激光接收装置51和二号激光接收装置52；

透明水箱1用于为海豚提供游动空间，并使海豚只能沿长度方向单向游动；照明光源3用于为透明水箱1提供光照度；

一号高速照相机21对应透明水箱1一侧壁居中设置，二号高速照相机22对应透明水箱1一端壁居中设置；所述一侧壁对应海豚游动方向身体的右侧，一端壁对应海豚游动方向身体的后侧；一号激光发射装置41对应透明水箱1另一端壁设置，二号激光发射装置42对应透明水箱1一侧壁的相对侧壁设置；一号高速照相机21上设置一号激光接收装置51，二号高速照相机22上设置二号激光接收装置52；

一号激光接收装置51在接收二号激光发射装置42发射的信号后，控制一号高速照相机21快门的触发；二号激光接收装置52在接收一号激光发射装置41发射的信号后，控制二号高速照相机22快门的触发。

本实施方式中透明水箱1包括由玻璃制成的长方体水箱，其尺寸需足够大以保证海豚在水箱内自由游动。具体尺寸需根据实际情况进行设置，宽度上需使海豚能够充分的自由游动，但不能进行转体，也就是说通过宽度尺寸的限制使海豚单一方向的游动。

结合图1所示，可使透明水箱1中海豚的头部正对一号激光发射装置41，尾部正对二号高速照相机22，前进方向的左侧正对二号激光发射装置42，右侧正对一号高速照相机21。照明光源3布置在透明水箱的周围，为透明水箱1所处空间提供足够的亮度，以保证相机拍摄到清晰的海豚运动姿态数据。激光接收装置与对应的相机通过缆线连接，实现对快门触发的控制。

进一步，结合图1至图3所示，一号高速照相机21和二号高速照相机22成正交排列。两台相机对应处于透明水箱1相邻的侧壁面成正交排列，可同步分别记录海豚游动时的右视图与后视图。

作为示例，两个激光发射装置均包括发光二极管，用于发射激光信号。两个激光发射装置发出的激光束可在两台高速照相机的焦点处重合，两束激光最终分别被对应的激光接收装置接收。

作为示例，两个激光接收装置均包括光敏电阻，用于接收激光信号。

作为示例，两个激光接收装置还包括TTL逻辑电路，在光敏电阻接收激光信号后，通过TTL逻辑电路控制相应照相机快门的触发。

本实施方式通过两个激光发射装置与两个激光接收装置及其内置的TTL逻辑电路控制照相机快门的自动触发，可减小人为触发带来的误差。

所述TTL逻辑电路包括5伏晶体管-晶体管逻辑电路***。其可以设置为：在正常接收到激光信号时，TTL***处于低电位，快门不触发。当海豚游过两束激光的交点时，激光信号被海豚挡住，激光接收装置无法接收到激光信号，此时TTL电路转为高电位，通过缆线将电信号传输至高速照相机，从而触发快门***，开始对海豚进行高速摄影。使用TTL逻辑电路控制高速照相机的快门，使照相机快门可以在海豚通过激光交汇点的瞬间启动。

再进一步，结合图1至图3所示，一号激光发射装置41处于二号激光接收装置52与二号高速照相机22焦点连线的延长线上；二号激光发射装置42处于一号激光接收装置51与一号高速照相机21焦点连线的延长线上。使激光发射后可以穿过焦点被对应的激光接收装置准确接收。

再进一步，一号高速照相机21和二号高速照相机22的焦点重合于同一点。两个激光发射装置发出的激光焦点重合于照相机的对焦点。两台高速照相机设置为焦点重合，可以确保拍摄到同步的海豚运动学图像。

作为示例，一号高速照相机21和二号高速照相机22的分辨率至少为1024*1024像素，以1000Hz的频率运行，快门速度至少为1/20000s，从而可以捕捉完整的海豚游动轨迹。

再进一步，两台高速照相机的响应时间通过主从***进行同步。本实施方式在激光接收装置触发相机快门，使两台相机同步的基础上，进一步通过主从***使相机的响应实现同步，为信号数据采集的准确提供了进一步的保障。两台高速照相机可以通过缆线互相连接，在使用主从***进行同步后，两台高速照相机的响应时间差可在纳秒范围内，从而保证两台高速照相机可以同时启动，拍摄到的海豚游动具有同步性。

本实施方式通过两台高速照相机之间的主从***控制以及激光控制快门的方式来减小人为的误差，在整个实验过程中可将误差降至最低。

再进一步，所述照明光源3为卤素灯，使用直流电源供电。为了避免在使用交流电源供电时高速照相机快门频率过快而产生频闪效应，本发明中采用直流电源对照明光源3供电。

采用本发明装置可以精确捕获海豚运动学数据，进而可以对海豚运动进行精确的建模。可以通过商用计算流体力学软件对模型进行仿真模拟，进而对海豚水动力性能进行计算与分析。

本发明的工作过程：

1)将装满水的透明水箱摆放在试验场地中央，并且使海豚在水箱内部自由游动。

2)将一号高速照相机21和二号高速照相机22正交摆放在水箱的侧面，用缆线将两台高速相机连接。调整两台高速照相机的焦点使其重合。

3)在实验场地周围摆放照明光源，使拍照效果达到最佳。并且采用直流电源为照明光源供电。

4)将一号激光接收装置51和二号激光接收装置52固定在相应的高速照相机上，并与高速照相机用缆线连接。

5)设置一号激光发射装置41和二号激光发射装置42的位置，调整两个激光发射装置的角度使发射的两束激光在之前设置的相机焦点重合处重合，并且可以被激光接收装置准确接收。

6)打开一号激光发射装置51和二号激光发射装置52，进行试验。海豚通过激光交汇点后相机就可以实现自动拍照，记录海豚的运动学数据。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于包括透明水箱(1)、一号高速照相机(21)、二号高速照相机(22)、照明光源(3)、一号激光发射装置(41)、二号激光发射装置(42)、一号激光接收装置(51)和二号激光接收装置(52)；

透明水箱(1)用于为海豚提供游动空间，并使海豚只能沿长度方向单向游动；照明光源(3)用于为透明水箱(1)提供光照度；

一号高速照相机(21)对应透明水箱(1)一侧壁居中设置，二号高速照相机(22)对应透明水箱(1)一端壁居中设置；所述一侧壁对应海豚游动方向身体的右侧，一端壁对应海豚游动方向身体的后侧；一号激光发射装置(41)对应透明水箱(1)另一端壁设置，二号激光发射装置(42)对应透明水箱(1)一侧壁的相对侧壁设置；一号高速照相机(21)上设置一号激光接收装置(51)，二号高速照相机(22)上设置二号激光接收装置(52)；

一号激光接收装置(51)在接收二号激光发射装置(42)发射的信号后，控制一号高速照相机(21)快门的触发；二号激光接收装置(52)在接收一号激光发射装置(41)发射的信号后，控制二号高速照相机(22)快门的触发。

2.根据权利要求1所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，一号高速照相机(21)和二号高速照相机(22)成正交排列。

3.根据权利要求1或2所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，两个激光发射装置均包括发光二极管，用于发射激光信号。

4.根据权利要求3所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，两个激光接收装置均包括光敏电阻，用于接收激光信号。

5.根据权利要求4所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，两个激光接收装置还包括TTL逻辑电路，在光敏电阻接收激光信号后，通过TTL逻辑电路控制相应照相机快门的触发。

6.根据权利要求5所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，

一号激光发射装置(41)处于二号激光接收装置(52)与二号高速照相机(22)焦点连线的延长线上；二号激光发射装置(42)处于一号激光接收装置(51)与一号高速照相机(21)焦点连线的延长线上。

7.根据权利要求6所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，一号高速照相机(21)和二号高速照相机(22)的焦点重合于同一点。

8.根据权利要求7所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，一号高速照相机(21)和二号高速照相机(22)的分辨率至少为1024*1024像素，以1000Hz的频率运行，快门速度至少为1/20000s。

9.根据权利要求8所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，两台高速照相机的响应时间通过主从***进行同步。

10.根据权利要求9所述的海豚自由游动的运动学记录装置，其特征在于，

所述照明光源(3)为卤素灯，使用直流电源供电。

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