JP7486757B2 - Method and system for controlling multi-joint bionic dolphin movement and method for detecting damage underwater - Google Patents
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Description
本発明は、バイオニックロボット及び水中工学構造物の損傷検出技術分野に関し、特に、多関節バイオニックイルカ運動制御方法、システム、及び水中損傷検出方法に関する。 The present invention relates to the technical field of damage detection for bionic robots and underwater engineering structures, and in particular to a method and system for controlling the motion of a multi-joint bionic dolphin, and a method for detecting damage underwater.
水中ロボットは、港湾や橋梁の水中構造物などの水中工学構造物の損傷検出の分野で幅広い応用の見通しを持っているが、既存の水中ロボットは一般的にプロペラ推進を採用しており、当該推進方法は、バイオニック推進と比較すると、効率、騒音レベル、操縦性の点でやや不十分である。優れた運動性能を備えたバイオニック推進は、小型水中ロボットの将来の開発方向になる。ところが、水中での作業条件は複雑であり、バイオニック推進の適用には次の２つの問題がある：第一に、バイオニック推進にはプロペラがなく、プロペラの運動状態を調整して作業中の安定性を維持することができず、代わりに関節モーメントを調整して安定性を維持しているが、関節モーメントの動力学予測は非常に困難である。第二に、設計されたバイオニックロボットの速度を事前に推定することは困難であり、実験的にしか得られないが、既存の研究はこれを深く掘り下げていないため、本分野では、水中工学構造物の損傷検出と位置決め識別を実現するように、バイオニックロボット関節のモーメントと加速度、速度、変位などの動力学パラメータを動力学に予測し、これに基づいてバイオニックロボットの運動を制御して安定性を確保する方法を提供することが急務である。 Underwater robots have a wide range of application prospects in the field of damage detection of underwater engineering structures such as underwater structures in ports and bridges, but existing underwater robots generally adopt propeller propulsion, which is somewhat unsatisfactory in terms of efficiency, noise level and maneuverability compared with bionic propulsion. Bionic propulsion with excellent kinematic performance will be the future development direction of small underwater robots. However, the working conditions in water are complex, and the application of bionic propulsion has two problems: first, bionic propulsion does not have a propeller, and cannot adjust the propeller motion state to maintain stability during work, but instead adjusts the joint moment to maintain stability, but the dynamics prediction of the joint moment is very difficult. Secondly, it is difficult to estimate the speed of the designed bionic robot in advance and can only be obtained experimentally, but existing research has not delved into this in depth, so that the field is urgently required to provide a method for dynamically predicting the moment of the bionic robot joint and dynamics parameters such as acceleration, velocity and displacement, so as to realize damage detection and positioning identification of underwater engineering structures, and based on this, control the motion of the bionic robot to ensure stability.
本発明は、動力学カップリング技術によって多関節バイオニックイルカの各関節のモーメントを取得でき、各瞬間の加速度、速度、及び変位パラメータを予測して、上記の動力学パラメータに基づいて、多関節バイオニックイルカの各関節での出力モーメントを制御し、多関節バイオニックイルカへの外界からの影響を弱めて安定性を向上させ；また、バイオニックイルカの頭にソナーシステムを取り付けることで、精密な運動制御方法により、水中工学構造物の損傷検出と位置決め識別を実現する多関節バイオニックイルカ運動の制御方法、システム及び水中損傷検出方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method, system and underwater damage detection method for controlling the motion of a multi-jointed bionic dolphin, which can obtain the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin through dynamic coupling technology, predict the acceleration, velocity and displacement parameters at each moment, and control the output moment at each joint of the multi-jointed bionic dolphin based on the dynamic parameters, thereby weakening the external influence on the multi-jointed bionic dolphin and improving its stability; and to provide a method, system and underwater damage detection method for controlling the motion of a multi-jointed bionic dolphin, which can realize damage detection and positioning identification of underwater engineering structures through a precise motion control method by attaching a sonar system to the head of the bionic dolphin.
上記の目的を達成するために、本発明は以下の解決策を提供する：
一方では、本発明は、多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用される多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される多関節バイオニックイルカの計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得することと；
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む動力学パラメータが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御することと、を含む多関節バイオニックイルカ運動制御方法を提供する。
To achieve the above objectives, the present invention provides the following solutions:
On the one hand, the present invention includes constructing and pre-processing a 3D model of a multi-jointed bionic dolphin used for simulating the motion mode of the multi-jointed bionic dolphin and a computational domain 3D model of a multi-jointed bionic dolphin used for fluid dynamics emulation of the multi-jointed bionic dolphin to obtain a pre-processed model file;
The preprocessed model file is imported into a computational fluid dynamics analysis software to perform a fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve is obtained and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment;
Performing a dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
According to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin is completed, and the dynamics parameters including moment, acceleration, velocity and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment are obtained;
and controlling the output moment of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment using PWM pulse width modulation technology based on the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin.
任意選択で、前記多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得することは、具体的に、
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ３Ｄ描画ソフトウェアで多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築することと；
前記多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域の３ＤモデルをＨｙｐｅｒｍｅｓｈソフトウェアにインポートして、３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルに対してモデルの簡素化と表面メッシュ分割の前処理を実行して、前処理済みのモデルファイルを取得することと、を含む。
Optionally, constructing and pre-processing the 3D model of the articulated bionic dolphin and the 3D model of the computational domain to obtain a pre-processed model file may specifically include:
Constructing a 3D model of the articulated bionic dolphin and a 3D model of the computational domain in SolidWorks 3D drawing software;
Importing the 3D model of the articulated bionic dolphin and the 3D model of the computational domain into Hypermesh software, and performing preprocessing of model simplification and surface mesh division on the 3D model and the 3D model of the computational domain to obtain a preprocessed model file.
任意選択で、前記の前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られることは、具体的に、
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアＳｔａｒ－ＣＣＭ＋にインポートして、計算領域の確立を完成し、ボディメッシュを生成し、境界を定義し、多関節バイオニックイルカ変形運動操作を定義することと；
計算領域の水流速度をゼロに設定し、多関節バイオニックイルカの尾部をスイングさせ、多関節バイオニックイルカが所定の運動方程式でスイングする場合の推力曲線を算出して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線とすることと；
相対運動の原理に基づいて、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの直線運動を速度合成し、合成速度を水の流れに変換して流体力学エミュレーションし、推力の作用下での多関節バイオニックイルカの理論上の推進速度までに水流速度を徐々に増加させて、指定の水中作業条件での多関節バイオニックイルカの加速度運動中の異なる運動速度での流体力学曲線を取得することと；
前記推力曲線と流体力学曲線に基づいて、差を求め、多関節バイオニックイルカが各瞬間に所定の運動方程式でスイングするときの速度につれて変化する抵抗曲線をフィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブとすることと、を含む。
Optionally, the preprocessed model file is imported into a computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the hydrodynamic curve of the multi-jointed bionic dolphin under a specified underwater working condition; and then, the difference between the thrust curve and the hydrodynamic curve is obtained and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment, specifically:
Import the preprocessed model file into the computational fluid dynamics analysis software Star-CCM+ to complete the establishment of the computational domain, generate the body mesh, define the boundary, and define the deformation motion operation of the multi-joint bionic dolphin;
Setting the water flow velocity in the calculation area to zero, swinging the tail of the multi-jointed bionic dolphin, and calculating the thrust curve when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a specified equation of motion, as the thrust curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions;
Based on the principle of relative motion, the linear motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions is velocity synthesized, the synthesized velocity is converted into water flow for hydrodynamic emulation, and the water flow velocity is gradually increased to the theoretical propulsion speed of the multi-joint bionic dolphin under the action of thrust, so as to obtain hydrodynamic curves at different motion speeds during the acceleration motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions;
The method includes: calculating a difference based on the thrust curve and the fluid dynamics curve; and fitting a resistance curve that changes with the speed when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined equation of motion at each moment to obtain a speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
任意選択で、前記の前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することは、
多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、ラグランジュ法を用いて流体力を集中させ、多関節バイオニックイルカの動力学解析をマルチボディダイナミクスシステム解析に変換し、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することを含む。
Optionally, performing a dynamics analysis on the articulated bionic dolphin and deriving a dynamics model of the articulated bionic dolphin includes:
The present invention includes performing dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin, concentrating the fluid force using the Lagrangian method, converting the dynamics analysis of the multi-jointed bionic dolphin into a multi-body dynamics system analysis, and deriving a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin.
任意選択で、前記の前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、多関節バイオニックイルカの動力学パラメータが得られることは、具体的に、
Ｍａｔｌａｂソフトウェアで前記多関節バイオニックイルカの動力学モデルを構築し、動力学モデルで多関節バイオニックイルカの質量と長さのパラメータを設定しておくこと；
前記動力学モデルの力項目を指定の水中作業条件下での推力曲線に対応する推力から、各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて得られた各瞬間における抵抗をマイナスすることに分解し、推力マイナス抵抗を利用して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を計算して取得すること；
各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を前記動力学モデルに代入して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント及び進行方向に沿った変位、速度、及び加速度を計算し取得し、前記各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度―抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を得るステップに戻ることを含む。
Optionally, according to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin is completed, and the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin are obtained, specifically:
Build a dynamics model of the articulated bionic dolphin with Matlab software, and set the mass and length parameters of the articulated bionic dolphin in the dynamics model;
The force items of the dynamic model are decomposed into a thrust corresponding to the thrust curve under the specified underwater working conditions minus the resistance at each moment obtained based on the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, and the resultant force of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment is calculated and obtained by using the thrust minus the resistance;
The method includes substituting the resultant force of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment into the dynamics model to calculate and obtain the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin and the displacement, velocity, and acceleration along the direction of travel at each moment, and returning to the step of obtaining the resistance at each moment based on the velocity-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
他方では、本発明は多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用される多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される多関節バイオニックイルカの計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得するために使用される、３Ｄモデルの構築及び前処理モジュールと；
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られる、流体力学エミュレーションモジュールと；
前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する動力学解析モジュールと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む動力学パラメータが得られる動力学カップリングモジュールと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御するイルカ運動制御モジュールと、を含む、多関節バイオニックイルカ運動制御システムを提供する。
On the other hand, the present invention relates to a 3D model construction and pre-processing module, which is used to construct and pre-process a 3D model of a multi-jointed bionic dolphin used to simulate the locomotion mode of the multi-jointed bionic dolphin and a computational domain 3D model of a multi-jointed bionic dolphin used for the hydrodynamic emulation of the multi-jointed bionic dolphin, to obtain a pre-processed model file;
A fluid dynamics emulation module, which imports the preprocessed model file into a computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then obtains and fits the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment;
A dynamics analysis module for performing dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
A dynamics coupling module, which completes the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin according to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, to obtain the dynamics parameters including moment, acceleration, velocity, and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment;
and a dolphin motion control module that controls the output moment of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment using PWM pulse width modulation technology based on the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin.
任意の選択で、前記３Ｄモデルの構築及び前処理モジュールは、具体的に、
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ３Ｄ描画ソフトウェアで多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築する３Ｄモデル構築ユニット；
前記多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域の３ＤモデルをＨｙｐｅｒｍｅｓｈソフトウェアにインポートして、３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルに対してモデルの簡素化と表面メッシュ分割の前処理を実行して、前処理済みのモデルファイルを取得する前処理ユニットを含む。
Optionally, the 3D model construction and pre-processing module specifically comprises:
a 3D model construction unit that constructs a 3D model of the articulated bionic dolphin and a 3D model of the computational domain in SolidWorks 3D drawing software;
A pre-processing unit includes: importing the 3D model of the articulated bionic dolphin and the 3D model of the computational domain into Hypermesh software; and performing pre-processing of model simplification and surface mesh division on the 3D model and the 3D model of the computational domain to obtain a pre-processed model file.
任意の選択で、前記流体力学エミュレーションモジュールは、具体的に、
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアＳｔａｒ－ＣＣＭ＋にインポートして、計算領域の確立を完成し、ボディメッシュを生成し、境界を定義し、多関節バイオニックイルカ変形運動操作を定義するモデルファイルインポートユニットと；
計算領域の水流速度をゼロに設定し、多関節バイオニックイルカの尾部をスイングさせ、多関節バイオニックイルカが所定の運動方程式でスイングする場合の推力曲線を算出して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線とする推力曲線計算ユニットと；
相対運動の原理に基づいて、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの直線運動を速度合成し、合成速度を水の流れに変換して流体力学エミュレーションし、推力の作用下での多関節バイオニックイルカの理論上の推進速度までに水流速度を徐々に増加させて、指定の水中作業条件での多関節バイオニックイルカの加速度運動中の異なる運動速度での流体力学的曲線を取得する流体力学曲線計算ユニットと；
前記推力曲線と流体力学曲線に基づいて、差を求め、多関節バイオニックイルカが各瞬間に所定の運動方程式でスイングするときの速度につれて変化する抵抗曲線をフィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブとする速度－抵抗フィッティングカーブ計算ユニットとを含む。
Optionally, the fluid dynamics emulation module specifically comprises:
A model file import unit, which imports the preprocessed model file into the computational fluid dynamics analysis software Star-CCM+ to complete the establishment of the computational domain, generate the body mesh, define the boundary, and define the deformation motion operation of the multi-joint bionic dolphin;
A thrust curve calculation unit, which sets the water flow velocity in the calculation area to zero, swings the tail of the multi-jointed bionic dolphin, calculates the thrust curve when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined motion equation, and sets it as the thrust curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions;
A hydrodynamic curve calculation unit, which performs velocity synthesis of the linear motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions based on the principle of relative motion, converts the synthesis velocity into water flow for hydrodynamic emulation, and gradually increases the water flow velocity to the theoretical propulsion speed of the multi-joint bionic dolphin under the action of thrust, to obtain hydrodynamic curves at different motion speeds during the acceleration motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions;
A speed-resistance fitting curve calculation unit is provided for calculating a difference based on the thrust curve and the hydrodynamic curve, and fitting a resistance curve that changes with the speed when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined equation of motion at each moment to obtain a speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
任意の選択で、前記動力学解析モジュールは、具体的に、
多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、ラグランジュ法を用いて流体力を集中させ、多関節バイオニックイルカの動力学解析をマルチボディダイナミクスシステム解析に変換し、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する動力学解析ユニットを含む。
Optionally, the kinetic analysis module specifically comprises:
It includes a dynamics analysis unit, which performs dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin, focuses fluid forces using the Lagrangian method, converts the dynamics analysis of the multi-jointed bionic dolphin into a multi-body dynamics system analysis, and derives a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin.
任意の選択で、前記動力学カップリングモジュールは、具体的に、
Ｍａｔｌａｂソフトウェアで多関節バイオニックイルカの動力学モデルを構築し、動力学モデルで多関節バイオニックイルカの質量と長さのパラメータを設定しておくために使用される動力学モデル構築ユニット；
前記動力学モデルの力項目を推力マイナス抵抗に分解し、推力は指定の水中作業条件下での推力曲線に対応する推力であり、各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を取得し、推力マイナス抵抗によって、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を計算して取得するために使用される各関節モーメント計算ユニット；
各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を前記動力学モデルに代入し、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント及び進行方向に沿った変位、速度、加速度を計算し取得し、前記各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度―抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を得るステップに戻るために使用されるイルカ変位及び速度計算ユニットを含む。
Optionally, the kinetic coupling module specifically comprises:
A dynamics model building unit is used to build a dynamics model of the articulated bionic dolphin in Matlab software and set the parameters of mass and length of the articulated bionic dolphin in the dynamics model;
A joint moment calculation unit is used to decompose the force item of the dynamic model into thrust minus resistance, the thrust being the thrust corresponding to the thrust curve under specified underwater working conditions, obtain the resistance at each moment according to the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, and calculate and obtain the resultant force of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment by the thrust minus resistance;
The present invention includes a dolphin displacement and velocity calculation unit that is used to substitute the resultant force of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment into the dynamics model, calculate and obtain the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin and the displacement, velocity, and acceleration along the direction of travel at each moment, and return to the step of obtaining the resistance at each moment based on the velocity-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
他方では、本発明は、
多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得し；前記多関節バイオニックイルカが頭にソナーシステムを取り付け；前記３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用され；前記計算領域３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用されることと；
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む多関節バイオニックイルカの動力学パラメータが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御することにより、検出対象の水中工学構造物で多関節バイオニックイルカの等速運動とポジショニングサスペンションを制御し、多関節バイオニックイルカの頭部に搭載されたソナーシステムによって、水中工学構造物での損傷部分のターゲット認識と位置決めを実現することと、を含む多関節バイオニックイルカ運動制御に基づく水中損傷検出方法を提供する。
On the other hand, the present invention
Constructing and preprocessing a 3D model of an articulated bionic dolphin and a computational domain 3D model to obtain a preprocessed model file; the articulated bionic dolphin is equipped with a sonar system on its head; the 3D model is used to simulate the motion mode of the articulated bionic dolphin; the computational domain 3D model is used to emulate the fluid dynamics of the articulated bionic dolphin;
The preprocessed model file is imported into a computational fluid dynamics analysis software to perform a fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve is obtained and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment;
Performing a dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
According to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin is completed, and the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin, including the moment, acceleration, velocity and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment, are obtained;
The present invention provides an underwater damage detection method based on the motion control of a multi-jointed bionic dolphin, which includes: using PWM pulse width modulation technology to control the output moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment based on the dynamics parameters of the multi-jointed bionic dolphin, thereby controlling the uniform motion and positioning suspension of the multi-jointed bionic dolphin in the underwater engineering structure to be detected; and realizing target recognition and positioning of the damaged part in the underwater engineering structure by a sonar system mounted on the head of the multi-jointed bionic dolphin.
本発明によって提供される指定の実施形態によれば、本発明は以下の技術的効果を開示する：
本発明は多関節バイオニックイルカ運動の制御方法、システム及び水中損傷検出方法を提供し、ここで、前記多関節バイオニックイルカ運動制御方法は、多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用される多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される多関節バイオニックイルカの計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得することと；前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られることと；前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することと；前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む動力学パラメータが得られることと；前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御することと、を含む。本発明の方法は、動力学カップリング技術を介して多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント取得し、各瞬間におけるその加速度、速度、及び変位パラメータを予測して、上記の動力学パラメータにより多関節バイオニックイルカの各関節における出力モーメントを制御し、多関節バイオニックイルカに対する外界からの影響が弱まり、安定性が向上される。
According to the specified embodiments provided by the present invention, the present invention discloses the following technical effects:
The present invention provides a method, system and underwater damage detection method for a multi-jointed bionic dolphin, in which the multi-jointed bionic dolphin motion control method includes: constructing a 3D model of a multi-jointed bionic dolphin used to simulate the motion mode of the multi-jointed bionic dolphin and a computational domain 3D model of a multi-jointed bionic dolphin used for the hydrodynamic emulation of the multi-jointed bionic dolphin, pre-processing them to obtain a pre-processed model file; importing the pre-processed model file into a computational fluid dynamics analysis software to perform hydrodynamic emulation to obtain the thrust curve and hydrodynamic curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then calculating and fitting the difference between the thrust curve and the hydrodynamic curve to obtain the multi-jointed bionic dolphin at each moment. The method includes: obtaining a speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin; performing dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin; completing the dynamics coupling of the multi-jointed bionic dolphin based on the dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin, the thrust curve under specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment, to obtain dynamics parameters including moment, acceleration, velocity, and displacement of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment; and using PWM pulse width modulation technology to control the output moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment based on the dynamics parameters of the multi-jointed bionic dolphin. The method of the present invention obtains the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin through dynamics coupling technology, predicts its acceleration, velocity and displacement parameters at each moment, and controls the output moment at each joint of the multi-jointed bionic dolphin according to the above dynamics parameters, thereby weakening the external influence on the multi-jointed bionic dolphin and improving its stability.
さらに、本発明は、多関節バイオニックイルカの頭部にソナーシステムを設置することにより、正確な多関節バイオニックイルカ運動制御方法を通じて、水中工学構造物の損傷検出及び位置識別も実現できる。 Furthermore, the present invention also enables damage detection and location identification of underwater engineering structures through an accurate multi-joint bionic dolphin motion control method by installing a sonar system on the head of the multi-joint bionic dolphin.
本発明又は従来技術の実施形態における技術的解決策をより明確に説明するために、以下では、実施形態に必要な図面を簡単に紹介するが、明らかに、以下の説明における図面は、本発明の一部にすぎず、実施形態については、当業者であれば、創造的な努力なしに、これらの図面に基づいて他の図面を取得することもできる。 In order to more clearly explain the technical solutions in the embodiments of the present invention or the prior art, the following briefly introduces drawings necessary for the embodiments. Obviously, the drawings in the following description are only a part of the present invention, and for the embodiments, a person skilled in the art can also obtain other drawings based on these drawings without creative efforts.
以下では、本発明の実施形態におけるの図面を参照して、本発明の実施形態における技術案を明確且つ完全に説明するが、明らかに、説明された実施形態は、本発明のすべての実施形態ではなく、いくつかの実施形態にすぎず、本発明の実施形態に基づいて、当業者が創造的な努力をすることなく得た他のすべての実施形態は、本発明の保護範囲に属する。 The following clearly and completely describes the technical solutions in the embodiments of the present invention with reference to the drawings in the embodiments of the present invention. Obviously, the described embodiments are only some embodiments, not all embodiments of the present invention, and all other embodiments obtained by those skilled in the art based on the embodiments of the present invention without creative efforts fall within the scope of protection of the present invention.
本発明は、動力学カップリング技術によって多関節バイオニックイルカの各関節のモーメントを取得でき、各瞬間の加速度、速度、及び変位パラメータを予測して、上記の動力学パラメータに基づいて、多関節バイオニックイルカの各関節での出力モーメントを制御し、多関節バイオニックイルカへの外界からの影響を弱めて安定性を向上させ；また、バイオニックイルカの頭にソナーシステムを取り付けることで、精密な運動制御方法により、水中工学構造物の損傷検出と位置決め識別を実現する多関節バイオニックイルカ運動の制御方法、システム及び水中損傷検出方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method, system and underwater damage detection method for controlling the motion of a multi-jointed bionic dolphin, which can obtain the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin through dynamic coupling technology, predict the acceleration, velocity and displacement parameters at each moment, and control the output moment at each joint of the multi-jointed bionic dolphin based on the dynamic parameters, thereby weakening the external influence on the multi-jointed bionic dolphin and improving its stability; and to provide a method, system and underwater damage detection method for controlling the motion of a multi-jointed bionic dolphin, which can realize damage detection and positioning identification of underwater engineering structures through a precise motion control method by attaching a sonar system to the head of the bionic dolphin.
本発明の上記の目的、特徴、及び利点をより理解できるようにするために、本発明は、図面及び指定の実施形態に関連して、以下でさらに詳細に説明される。 In order to make the above objects, features, and advantages of the present invention more comprehensible, the present invention will be described in further detail below in conjunction with the drawings and specific embodiments.
図１は本発明の多関節バイオニックイルカ運動制御方法のフローチャートである。図１を参照すると、本発明の一種の多関節バイオニックイルカ運動制御方法は、具体的に以下のステップを含む：
ステップ１：多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用される多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される多関節バイオニックイルカの計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得する。
1 is a flow chart of the multi-joint bionic dolphin motion control method of the present invention. Referring to FIG. 1, the multi-joint bionic dolphin motion control method of the present invention specifically includes the following steps:
Step 1: Construct and preprocess a 3D model of the multi-jointed bionic dolphin used to simulate the locomotion mode of the multi-jointed bionic dolphin and a computational domain 3D model of the multi-jointed bionic dolphin used for the fluid dynamics emulation of the multi-jointed bionic dolphin to obtain a preprocessed model file.
具体的には、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ３Ｄ描画ソフトウェアで多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築し；前記多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域の３ＤモデルをＨｙｐｅｒｍｅｓｈソフトウェアにインポートして、３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルに対してモデルの簡素化と表面メッシュ分割の前処理を実行して、前処理済みのモデルファイルを取得する。 Specifically, a 3D model of a multi-jointed bionic dolphin and a 3D model of the computational domain are constructed using SolidWorks 3D drawing software; the 3D model of the multi-jointed bionic dolphin and the 3D model of the computational domain are imported into Hypermesh software, and preprocessing of model simplification and surface mesh division is performed on the 3D model and the 3D model of the computational domain to obtain a preprocessed model file.
ステップ２：前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られる。 Step 2: The preprocessed model file is imported into the computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve is calculated and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
具体的には、前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアＳｔａｒ－ＣＣＭ＋にインポートして、計算領域の確立を完成し、ボディメッシュを生成し、境界を定義し、多関節バイオニックイルカ変形運動操作を定義する。計算領域の水流速度をゼロに設定し、多関節バイオニックイルカの尾部をスイングさせ、多関節バイオニックイルカが所定の運動方程式でスイングする場合の推力曲線を算出して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線とする。相対運動の原理に基づいて、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの直線運動を速度合成し、合成速度を水の流れに変換して流体力学エミュレーションし、推力の作用下での多関節バイオニックイルカの理論上の推進速度までに水流速度を徐々に増加させて、指定の水中作業条件での多関節バイオニックイルカの加速度運動中の異なる運動速度での流体力学的曲線を取得する。前記推力曲線と流体力学曲線に基づいて、差を求め、多関節バイオニックイルカが各瞬間に所定の運動方程式でスイングするときの速度につれて変化する抵抗曲線をフィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブとする。 Specifically, the preprocessed model file is imported into the computational fluid dynamics analysis software Star-CCM+ to complete the establishment of the calculation domain, generate the body mesh, define the boundary, and define the deformation motion operation of the multi-jointed bionic dolphin. The water flow velocity of the calculation domain is set to zero, the tail of the multi-jointed bionic dolphin is swung, and the thrust curve when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined motion equation is calculated to be the thrust curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions. Based on the principle of relative motion, the linear motion of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions is velocity synthesized, and the synthesized velocity is converted into the water flow for hydrodynamic emulation, and the water flow velocity is gradually increased to the theoretical propulsion speed of the multi-jointed bionic dolphin under the action of thrust, to obtain the hydrodynamic curves at different motion speeds during the acceleration motion of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions. Based on the thrust curve and the fluid dynamics curve, the difference is calculated, and a resistance curve that changes with the speed at which the multi-jointed bionic dolphin swings according to a specified equation of motion at each moment is fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
ステップ３：前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する。 Step 3: Perform dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin and derive a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin.
具体的には、多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、ラグランジュ法を用いて流体力を集中させ、多関節バイオニックイルカの動力学解析をマルチボディダイナミクスシステム解析に変換し、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する。 Specifically, we perform dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin, focus the fluid force using the Lagrangian method, convert the dynamics analysis of the multi-jointed bionic dolphin into a multibody dynamics system analysis, and derive a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin.
ステップ４：前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、多関節バイオニックイルカの動力学パラメータを得る。 Step 4: Based on the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, complete the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin and obtain the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin.
具体的には、Ｍａｔｌａｂソフトウェアで前記多関節バイオニックイルカの動力学モデルを構築し、動力学モデルで多関節バイオニックイルカの質量と長さのパラメータを設定しておき；前記動力学モデルの力項目を推力マイナス抵抗に分解し、推力は、指定の水中作業条件下での水中作業条件下での推力曲線の対応する推力であり、各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度―抵抗を用いてフィッティングカーブして、各瞬間における抵抗を取得し、推力マイナス抵抗によって、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を計算し取得し；各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を前記動力学モデルに代入して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント及び進行方向に沿った変位、速度、及び加速度を計算し取得し、前記各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度―抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を取得するステップに戻る。 Specifically, construct a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin with Matlab software, set the parameters of the mass and length of the multi-jointed bionic dolphin in the dynamics model; decompose the force items of the dynamics model into thrust minus resistance, the thrust being the corresponding thrust of the thrust curve under the specified underwater working conditions, use the speed-resistance of the multi-jointed bionic dolphin at each moment to fit a curve to obtain the resistance at each moment, calculate and obtain the resultant force of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment by thrust minus resistance; substitute the resultant force of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment into the dynamics model to calculate and obtain the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment and the displacement, speed, and acceleration along the moving direction, and return to the step of obtaining the resistance at each moment based on the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
ステップ５：前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御する。 Step 5: Based on the dynamics parameters of the multi-jointed bionic dolphin, use PWM pulse width modulation technology to control the output moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
具体的には、前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、制御戦略を書き、有効な電気信号を離散形式に分散することで、電気信号によって配信される平均電力を調整、即ち、各瞬間における多関節バイオニックイルカ関節の出力モーメントを制御することにより、多関節バイオニックイルカに対する外界からの影響を弱め、安定性を向上させる。 Specifically, based on the dynamics parameters of the multi-jointed bionic dolphin, a control strategy is written using PWM pulse width modulation technology to distribute the effective electrical signal into a discrete form, thereby adjusting the average power delivered by the electrical signal, i.e., controlling the output moment of the multi-jointed bionic dolphin joints at each moment, thereby weakening the external influence on the multi-jointed bionic dolphin and improving its stability.
本発明の方法は、作業中の多関節バイオニックイルカの安定性を改善でき、当該方法により、多関節バイオニックイルカの動力学パラメータを予測でき、多関節バイオニックイルカが作動中各瞬間の関節に対応するモーメントを取得し、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、有効な電気信号を離散形式に分散させることで、電気信号によって配信される平均電力を調整、即ち、各瞬間における多関節バイオニックイルカ関節の出力モーメントを制御することにより、多関節バイオニックイルカに対する外界からの影響を弱め、安定性を向上させる。また、多関節バイオニックイルカが一つの運動方程式で動く場合、本発明の方法によって更に各瞬間における加速度、速度、変位、及びその他のパラメータも予測できる。特定の多関節バイオニックイルカに対応し、即ち質量、長さ、体積などの特定のパラメータを使用して、その最大前進速度及び対応する運動方程式を、本発明の方法によってさらに取得できる。 The method of the present invention can improve the stability of the multi-joint bionic dolphin during operation, and the method can predict the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin, obtain the moment corresponding to the joints at each moment when the multi-joint bionic dolphin is working, and use PWM pulse width modulation technology to distribute the effective electrical signal into a discrete form, thereby adjusting the average power delivered by the electrical signal, i.e., controlling the output moment of the multi-joint bionic dolphin joints at each moment, thereby weakening the influence of the outside world on the multi-joint bionic dolphin and improving its stability. In addition, when the multi-joint bionic dolphin moves with a single equation of motion, the method of the present invention can also predict the acceleration, velocity, displacement, and other parameters at each moment. Corresponding to a specific multi-joint bionic dolphin, i.e., using specific parameters such as mass, length, volume, etc., its maximum forward speed and corresponding equation of motion can be further obtained by the method of the present invention.
以下、静水中での２関節型バイオニックイルカ運動を例に挙げ、本発明の多関節型バイオニックイルカ運動制御方法の具体的な実施形態例として提供し、当該方法実施形態は、具体的には以下のステップを含む：
Ｓ１：多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取する。
The following takes the motion of a two-jointed bionic dolphin in still water as an example to provide a specific embodiment of the multi-jointed bionic dolphin motion control method of the present invention, which specifically includes the following steps:
S1: Construct and preprocess a 3D model of an articulated bionic dolphin and a 3D model of the computational domain, and obtain the preprocessed model file.
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ３Ｄ描画ソフトウェアで２関節バイオニックイルカ（イルカと略す）の３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築し；前記３Ｄモデルは、２関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用され；前記計算領域の３Ｄモデルは、２関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される。前記２関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域の３ＤモデルをＨｙｐｅｒｍｅｓｈソフトウェアにインポートして、当該３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルに対してモデルの簡素化と表面メッシュ分割の前処理を実行して、前処理済みのモデルファイルを取得する。 A 3D model of a two-joint bionic dolphin (abbreviated as dolphin) and a 3D model of the computational domain are constructed in SolidWorks 3D drawing software; the 3D model is used to simulate the motion mode of the two-joint bionic dolphin; the 3D model of the computational domain is used for the hydrodynamic emulation of the two-joint bionic dolphin. The 3D model of the two-joint bionic dolphin and the 3D model of the computational domain are imported into Hypermesh software, and the 3D model and the 3D model of the computational domain are preprocessed by model simplification and surface mesh division to obtain a preprocessed model file.
Ｓ２：前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、静水作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線、流体力学曲線及び各瞬間における関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られる。 S2: The preprocessed model file is imported into the computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation, and the thrust curve, fluid dynamics curve and speed-resistance fitting curve of the articulated bionic dolphin at each moment are obtained under still water working conditions.
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアＳｔａｒ－ＣＣＭ＋にインポートして、計算領域の確立を完成し、ボディメッシュを生成し、境界を定義し、２関節バイオニックイルカ変形運動などの操作を定義する。計算領域の水流速度を０ｍ／ｓに設定し、２関節バイオニックイルカの尾部をθ２１（ｔ）とθ３２（ｔ）方程式に従ってスイングさせ、２関節バイオニックイルカが所定の運動方程式でスイングする場合の推力曲線を算出し、図２に示すように、この時、流体力学的な力は純粋な推力であり、当該推力曲線（推力データ）を中間ファイル形式にエクスポートする。 The preprocessed model file is imported into the computational fluid dynamics analysis software Star-CCM+ to complete the establishment of the computational domain, generate the body mesh, define the boundary, and define the operation of the two-joint bionic dolphin deformation motion, etc. The water flow velocity of the computational domain is set to 0 m/s, the tail of the two-joint bionic dolphin is swung according to the θ 21 (t) and θ 32 (t) equations, and the thrust curve of the two-joint bionic dolphin when it swings according to the given motion equation is calculated, as shown in Figure 2, at this time the hydrodynamic force is pure thrust, and the thrust curve (thrust data) is exported to an intermediate file format.
さらに、相対運動の原理に基づいて、上記の推力下での２関節バイオニックイルカの直線運動速度を水流の速度に変換させて、流体力学エミュレーションし、上記推力下での２関節バイオニックイルカの理論推進速度までに、水流速度を徐々に上げ、２関節バイオニックイルカが一つの運動方程式でスイングする場合の加速運動プロセス中の異なる速度での流体力学的数値曲線（即ち、流体力学的曲線）を計算し、図３Ａから図３Ｆに示すように、この場合の流体力は合力の大きさ、即ち、推力マイナス抵抗である。 Furthermore, based on the principle of relative motion, the linear motion speed of the two-jointed bionic dolphin under the above thrust is converted into the speed of the water flow, and fluid dynamics emulation is performed. The water flow speed is gradually increased until it reaches the theoretical propulsion speed of the two-jointed bionic dolphin under the above thrust, and the fluid dynamics numerical curves (i.e., the fluid dynamics curves) at different speeds during the accelerated motion process when the two-jointed bionic dolphin swings under one motion equation are calculated. As shown in Figures 3A to 3F, the fluid force in this case is the magnitude of the resultant force, i.e., the thrust minus the resistance.
さらに、上記で得られた推力曲線と流体力学曲線を組み合わせて、差を求め、各瞬間における２関節バイオニックイルカがあらかじめ設定された運動方程式でスイング場合の速度につれて変化する抵抗曲線をフィッティングして、各瞬間における２関節バイオニックイルカの速度―抵抗フィッティングカーブとし、図４に示すとおりである。図４では、横軸が速度ｖ、縦軸が抵抗Ｆである。図３Ａから図３Ｆの各瞬間における速度―抵抗フィッティングカーブの式は表１に示すとおりである。 Furthermore, the thrust curve and the fluid dynamics curve obtained above are combined to find the difference, and a resistance curve that changes with the speed when the two-jointed bionic dolphin swings at each moment is fitted with a preset equation of motion to obtain the speed-resistance fitting curve of the two-jointed bionic dolphin at each moment, as shown in Figure 4. In Figure 4, the horizontal axis is the speed v and the vertical axis is the resistance F. The equations of the speed-resistance fitting curves at each moment in Figures 3A to 3F are as shown in Table 1.
Ｓ３：前記２関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、２関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する。 S3: Perform dynamics analysis on the two-joint bionic dolphin and derive a dynamics model of the two-joint bionic dolphin.
２関節バイオニックイルカの動力学解析を実行し、ラグランジュ法を使用して流体力を集中させ、２関節バイオニックイルカの動力学解析をマルチボディダイナミクスシステム解析に変換し、２関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する。 Perform dynamics analysis of a two-joint bionic dolphin, focus fluid forces using the Lagrangian method, convert the dynamics analysis of the two-joint bionic dolphin into a multibody dynamics system analysis, and derive a dynamics model of the two-joint bionic dolphin.
図５は、本発明によって提供される動力学分析プロセスの概略図である。図中、Ｘ０Ｙ０は地球座標系であり、Ｘ１Ｙ１、Ｘ２Ｙ２、Ｘ３Ｙ３はそれぞれイルカの体、尾柄、尾鰭に設定された座標系である。図４に示すように、プロセスを簡素化するために、次の仮定が行われる：
ａ．イルカの各部分は、均一な質量分布を持つロッド部品として簡素化され、質量中心は剛体と見なされる幾何学的中心であり；
ｂ．尾柄と尾鰭のスイングによる重心と浮力の変化は考慮しない；
ｃ．イルカの進行作業条件のみを考慮し、イルカはＸ方向の変位のみを生成する。
Figure 5 is a schematic diagram of the dynamics analysis process provided by the present invention, in which X0Y0 is the Earth coordinate system, and X1Y1, X2Y2, and X3Y3 are the coordinate systems set on the dolphin's body, caudal peduncle, and caudal fin, respectively. As shown in Figure 4, in order to simplify the process, the following assumptions are made:
a. Each part of the dolphin is simplified as a rod section with uniform mass distribution, and the center of mass is the geometric center considered as a rigid body;
b. Changes in center of gravity and buoyancy caused by the swing of the tail peduncle and tail fin are not taken into account;
c. The dolphin's progress Considering only the task condition, the dolphin generates only displacement in the X direction.
この条件では、イルカは３つの自由度があり、各関節の関係は、座標系の変換によって記述され、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３はそれぞれがイルカの体、尾柄、尾鰭にかける流体力であり、各部分の重心に統合され；Ｍ２１、Ｍ３２はイルカの身体各部分の接合部位におけるモーメントであり、ここでＭ２１はイルカの体と尾柄の接合部でのモーメントであり、Ｍ３２はイルカの尾柄と尾鰭の接合部でのモーメントであり；尾鰭と尾柄の長さはそれぞれｌ２とｌ３であり、イルカの体、尾柄、尾鰭の質量はそれぞれｍ１、ｍ２、ｍ３であり、ラグランジュ法を使用してダイナミクス分析し、得られた最終結果を行列形式に整理した。 In this condition, the dolphin has three degrees of freedom, and the relationship of each joint is described by the transformation of the coordinate system, F1 , F2 , and F3 are the fluid forces acting on the dolphin's body, tail peduncle, and tail fin, respectively, and are integrated at the center of gravity of each part; M21 and M32 are the moments at the joints of each part of the dolphin's body, where M21 is the moment at the joint between the dolphin's body and tail peduncle, and M32 is the moment at the joint between the dolphin's tail peduncle and tail fin; the lengths of the tail fin and tail peduncle are l2 and l3 , respectively, and the masses of the dolphin's body, tail peduncle, and tail fin are m1 , m2 , and m3 , respectively. The dynamics were analyzed using the Lagrangian method, and the final results obtained were arranged in matrix form.
ここで、
当該行列（１）は導出された動力学モデルであり、モデル（１）では、θ２１、θ３２はイルカの尾柄と尾鰭のスイング関数をそれぞれ表し；Ｘ１０はＸ０の方向に沿ったイルカの変位を表し；Ｆ１Ｘはイルカの体にかかるＸ０の方向の力であり；Ｆ２ｘ、Ｆ２ｙはそれぞれがＸ０Ｙ０座標系のＸ０軸とＹ０軸上のＦ２の投影であり；Ｆ３ｘとＦ３ｙは、それぞれＸ０Ｙ０座標系のＸ０軸とＹ０軸上のＦ３の投影である。 The matrix (1) is the derived dynamics model, in which θ21 , θ32 represent the swing functions of the dolphin's tail peduncle and tail fin, respectively; X10 represents the displacement of the dolphin along the X0 direction; F1X is the force on the dolphin's body in the X0 direction; F2x , F2y are the projections of F2 on the X0 and Y0 axes, respectively, of the X0Y0 coordinate system; F3x , F3y are the projections of F3 on the X0 and Y0 axes, respectively, of the X0Y0 coordinate system.
当該動力学モデルはθ２１（ｔ）、θ３２（ｔ）が指定された場合、Ｍ２１（ｔ）、Ｍ３２（ｔ）、Ｘ１０（ｔ）、即ち、指定の時刻ｔにおける尾柄と尾鰭のスイング関数θ２１（ｔ）、θ３２（ｔ）を求めて、時刻ｔにおけるＸ０方向に沿ったイルカの変位関数Ｘ１０（ｔ）、尾柄Ｍ２１（ｔ）と尾鰭Ｍ３２（ｔ）を計算できる。この動力学モデルを適用すると、逆解問題も研究でき、即ち、指定のＭ２１（ｔ）、Ｍ３２（ｔ）から、θ２１（ｔ）、θ３２（ｔ）、Ｘ１０（ｔ）を逆解できる。
When θ 21 (t) and θ 32 (t) are specified, the dynamics model can calculate M 21 (t), M 32 (t), and X 10 (t), i.e., the tail peduncle and tail fin swing functions θ 21 (t) and θ 32 (t) at the specified time t, and calculate the dolphin's displacement function X 10 (t), tail peduncle M 21 (t), and tail fin M 32 (t) along the
Ｓ４：２関節バイオニックイルカの動力学モデル、静水作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における２関節バイオニックイルカの速度抵抗フィッティングカーブに基づいて、２関節バイオニックイルカの動力学カップリングが完成され、２関節バイオニックイルカの動力学パラメータが得られ；前記動力学パラメータには、各瞬間における２関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位が含まれる。 S4: Based on the dynamics model of the two-joint bionic dolphin, the thrust curve under still water working conditions, and the speed resistance fitting curve of the two-joint bionic dolphin at each moment, the dynamics coupling of the two-joint bionic dolphin is completed, and the dynamics parameters of the two-joint bionic dolphin are obtained; the dynamics parameters include the moment, acceleration, velocity, and displacement of each joint of the two-joint bionic dolphin at each moment.
Ｍａｔｌａｂソフトウェアで前記２関節バイオニックイルカの動力学モデルを構築し、図６に示すとおりであり、図６では、Ｖｅｌｏｃｉｔｙ、Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ、ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔはそれぞれ速度、加速度、変位を表し；１／ｓはＭａｔｌａｂの積分モジュールであり、積分計算に使用され、ここで、加速度の積分は速度であり、速度の積分は変位であり；１／ｚはＭａｔｌａｂの遅延モジュールであり、前の時間ステップのデータを記録する機能であり、本時間ステップで使用され、本発明の動力学モデルの前の時間ステップで得られた速度を記録するために使用される。図５のモジュールの下側に対応するＸ１０、θ２１、θ３２の三つのパラメータは、ラグランジュ法で一般化された座標として定義されていることを示す。 The dynamics model of the two-joint bionic dolphin is constructed by Matlab software, as shown in Fig. 6, in which Velocity, Acceleration, and displacement represent velocity, acceleration, and displacement, respectively; 1/s is the integral module of Matlab, which is used for integral calculation, where the integral of acceleration is velocity, and the integral of velocity is displacement; 1/z is the delay module of Matlab, which is the function of recording the data of the previous time step, which is used in this time step and is used to record the velocity obtained in the previous time step of the dynamics model of the present invention. The three parameters X10 , θ21 , and θ32 corresponding to the lower part of the module in Fig. 5 are defined as generalized coordinates in the Lagrange method.
Ｍａｔｌａｂソフトウェア動力学モデルで２関節バイオニックイルカの質量、長さなどのパラメータを設定する。 Set parameters such as mass and length of the two-joint bionic dolphin using the Matlab software dynamics model.
前記動力学モデルの力項目を推力マイナス抵抗に分解し、推力は、静水作業条件下での推力曲線（即ち、水速が０ｍ／ｓの場合の流体力学曲線）の対応する推力であり、さらに、Ｍａｔｌａｂは中間ファイルの一番目の時間ステップの推力データを読み取り、このとき、２関節バイオニックイルカの速度は０ｍ／ｓであり、抵抗は０であり、推力マイナス抵抗を利用して一番目の時間ステップでの２関節バイオニックイルカの各関節の合力を計算して得ることにより、動力学モデルにおけるＦ１ｘ、Ｆ２ｘ、Ｆ３ｘ、Ｆ２ｙ、Ｆ３ｙが得られ；次に、一番目の時間ステップの合力を動力学モデルに代入して動力学計算し、当該時間ステップで、対応する２関節バイオニックイルカの関節モーメント、変位、速度、及び加速度を計算する。さらに、当該速度を次の動力学モデルエミュレーションの初期条件として使用し、当該速度をフィッティングして得られた速度－抵抗カーブの中に代入して、次のステップの抵抗の大きさを得る。さらに、Ｍａｔｌａｂは中間ファイルの２番目の時間ステップの推力データを読み取り、このときの合力（流体力）は、読み取ったデータから前ステップで計算した抵抗分を差し引いたものであり、動力学モデルエミュレーションによって２番目の時間ステップに対応する速度が求められる。このように往復することで、２関節バイオニックイルカの一方向の動力学カップリングが完了し、そのプロセスは図７に示とおりである。最終的には、図８Ａ又は図８Ｂに示すように、さまざまな作業条件下での２関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、変位などの動力学パラメータの動力学画像が取得される。 The force item of the dynamic model is decomposed into thrust minus resistance, and the thrust is the corresponding thrust of the thrust curve under still water working conditions (i.e., the hydrodynamic curve when the water speed is 0 m/s); furthermore, Matlab reads the thrust data of the first time step of the intermediate file, at this time, the speed of the two-joint bionic dolphin is 0 m/s, and the resistance is 0, and the thrust minus resistance is used to calculate and obtain the resultant force of each joint of the two-joint bionic dolphin at the first time step, thereby obtaining F 1x , F 2x , F 3x , F 2y , and F 3y in the dynamic model; then, the resultant force of the first time step is substituted into the dynamic model to perform dynamic calculation, and the joint moment, displacement, velocity, and acceleration of the corresponding two-joint bionic dolphin at this time step are calculated. Further, the velocity is used as the initial condition of the next dynamic model emulation, and the velocity is substituted into the velocity-resistance curve obtained by fitting to obtain the magnitude of the resistance of the next step. Furthermore, Matlab reads the thrust data of the second time step of the intermediate file, and the resultant force (fluid force) at this time is the read data minus the resistance calculated in the previous step, and the velocity corresponding to the second time step is obtained by dynamic model emulation. By going back and forth in this way, the unidirectional dynamic coupling of the two-joint bionic dolphin is completed, and the process is as shown in Figure 7. Finally, as shown in Figure 8A or Figure 8B, the dynamic images of the dynamic parameters such as moment, acceleration, velocity, and displacement of each joint of the two-joint bionic dolphin under various working conditions are obtained.
上記の動力学カップリングにより、異なる作業条件下での２関節バイオニックイルカの各関節のモーメントを取得でき、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して制御戦略を書き、作業中の２関節バイオニックイルカに対する外界からの影響を弱め、安定性を向上させることができる。動力学カップリングにより、２関節バイオニックイルカの各関節が一つの状態で運動する場合、その各瞬間の加速度、速度、変位などのパラメータを予測できる。一つの特定の２関節バイオニックイルカ、即ち、質量、長さ、体積などの特定のパラメータに対応し、本発明の方法により、さらに最大移動速度及び対応する運動方程式も得られる。 The above dynamics coupling can obtain the moment of each joint of the two-joint bionic dolphin under different working conditions, and a control strategy can be written using PWM pulse width modulation technology to weaken the external influence on the two-joint bionic dolphin during working and improve its stability. The dynamics coupling can predict the parameters such as acceleration, velocity, displacement, etc. at each moment when each joint of the two-joint bionic dolphin moves in one state. Corresponding to the specific parameters of one specific two-joint bionic dolphin, i.e., mass, length, volume, etc., the maximum moving speed and the corresponding equation of motion can also be obtained by the method of the present invention.
Ｓ５：前記２関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、２関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御する。 S5: Based on the dynamics parameters of the two-joint bionic dolphin, use PWM pulse width modulation technology to control the output moment of each joint of the two-joint bionic dolphin at each moment.
エミュレーションから得られた運動パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、制御戦略を書き、有効な電気信号を離散形式に分散することで、電気信号によって配信される平均電力を調整、即ち、各瞬間における２関節バイオニックイルカの関節部位の出力モーメントを制御することにより、２関節バイオニックイルカに対する外界からの影響を弱め、安定性を向上させることかできる。 Based on the motion parameters obtained from the emulation, a control strategy is written using PWM pulse width modulation technology to distribute the effective electrical signal in a discrete form, thereby adjusting the average power delivered by the electrical signal, i.e., controlling the output moment of the joint parts of the two-jointed bionic dolphin at each moment, thereby weakening the influence of the outside world on the two-jointed bionic dolphin and improving its stability.
本発明によって提供される方法に基づいて、本発明はまた、多関節バイオニックイルカ運動制御システムを提供し、このシステムは、
多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築及び前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得するために使用され、前記３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用され、前記計算領域３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される３Ｄモデルの構築及び前処理モジュールと；
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られ；前記指定の水中作業条件下には、水域に流れの有無、流れの速度や方向が含まれる流体力学エミュレーションモジュールと；
前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する動力学解析モジュールと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、多関節バイオニックイルカの動力学パラメータが得られ；前記動力学パラメータには、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位が含まれる動力学カップリングモジュールと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御するイルカ運動制御モジュールを含む。
Based on the method provided by the present invention, the present invention also provides a multi-joint bionic dolphin motion control system, the system comprising:
a 3D model construction and preprocessing module, which is used to construct and preprocess a 3D model of an articulated bionic dolphin and a computational domain 3D model to obtain a preprocessed model file, the 3D model being used to simulate the motion mode of the articulated bionic dolphin, and the computational domain 3D model being used for the hydrodynamic emulation of the articulated bionic dolphin;
The preprocessed model file is imported into a computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions, and then the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve is calculated and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment; a fluid dynamics emulation module, in which the specified underwater working conditions include the presence or absence of flow in the water area, and the speed and direction of the flow;
A dynamics analysis module for performing dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
A dynamics coupling module is provided to complete the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin based on the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, and obtain the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin; the dynamics parameters include the moment, acceleration, velocity, and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment;
The present invention includes a dolphin motion control module that controls the output moment of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment using PWM pulse width modulation technology based on the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin.
ここで、前記３Ｄモデルの構築及び前処理モジュールは、具体的に、
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ３Ｄ描画ソフトウェアで多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築する３Ｄモデル構築ユニット；
前記多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域の３ＤモデルをＨｙｐｅｒｍｅｓｈソフトウェアにインポートして、３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルに対してモデルの簡素化と表面メッシュ分割の前処理を実行して、前処理済みのモデルファイルを取得する前処理ユニットを含む。
Here, the 3D model construction and pre-processing module specifically includes:
a 3D model construction unit that constructs a 3D model of the articulated bionic dolphin and a 3D model of the computational domain in SolidWorks 3D drawing software;
A pre-processing unit includes: importing the 3D model of the articulated bionic dolphin and the 3D model of the computational domain into Hypermesh software; and performing pre-processing of model simplification and surface mesh division on the 3D model and the 3D model of the computational domain to obtain a pre-processed model file.
前記流体力学エミュレーションモジュールは、具体的に、
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアＳｔａｒ－ＣＣＭ＋にインポートして、計算領域の確立を完成し、ボディメッシュを生成し、境界を定義し、多関節バイオニックイルカ変形運動操作を定義するモデルファイルインポートユニットと；
計算領域の水流速度をゼロに設定し、多関節バイオニックイルカの尾部をスイングさせ、多関節バイオニックイルカが所定の運動方程式でスイングする場合の推力曲線を算出して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線とする推力曲線計算ユニットと；
相対運動の原理に基づいて、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの直線運動を速度合成し、合成速度を水の流れに変換して流体力学エミュレーションし、推力の作用下での多関節バイオニックイルカの理論上の推進速度までに水流速度を徐々に増加させて、指定の水中作業条件での多関節バイオニックイルカの加速度運動中の異なる運動速度での流体力学的曲線を取得する流体力学曲線計算ユニットと；
前記推力曲線と前記流体力学曲線に基づいて、差を求め、多関節バイオニックイルカが各瞬間に所定の運動方程式でスイングするときの速度につれて変化する抵抗曲線をフィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブとする速度－抵抗フィッティングカーブ計算ユニットとを含む。
The fluid dynamics emulation module specifically includes:
A model file import unit, which imports the preprocessed model file into the computational fluid dynamics analysis software Star-CCM+ to complete the establishment of the computational domain, generate the body mesh, define the boundary, and define the deformation motion operation of the multi-joint bionic dolphin;
A thrust curve calculation unit, which sets the water flow velocity in the calculation area to zero, swings the tail of the multi-jointed bionic dolphin, calculates the thrust curve when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined motion equation, and sets it as the thrust curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions;
A hydrodynamic curve calculation unit, which performs velocity synthesis of the linear motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions based on the principle of relative motion, converts the synthesis velocity into water flow for hydrodynamic emulation, and gradually increases the water flow velocity to the theoretical propulsion speed of the multi-joint bionic dolphin under the action of thrust, to obtain hydrodynamic curves at different motion speeds during the acceleration motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions;
A speed-resistance fitting curve calculation unit is included, which calculates a difference based on the thrust curve and the fluid dynamics curve, and fits a resistance curve that changes with the speed when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined motion equation at each moment, to obtain a speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
前記動力学解析モジュールは、具体的に、
多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、ラグランジュ法を用いて流体力を集中させ、多関節バイオニックイルカの動力学解析をマルチボディダイナミクスシステム解析に変換し、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する動力学解析ユニットを含む。
Specifically, the dynamics analysis module:
It includes a dynamics analysis unit, which performs dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin, focuses fluid forces using the Lagrangian method, converts the dynamics analysis of the multi-jointed bionic dolphin into a multi-body dynamics system analysis, and derives a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin.
前記動力学カップリングモジュールは、具体的に、
Ｍａｔｌａｂソフトウェアで多関節バイオニックイルカの動力学モデルを構築し、動力学モデルで多関節バイオニックイルカの質量と長さのパラメータを設定しておくために使用される動力学モデル構築ユニット；
前記動力学モデルの力項目を推力マイナス抵抗に分解し、推力は指定の水中作業条件下での推力曲線に対応する推力であり、各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を取得し、推力マイナス抵抗によって、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を計算して取得するために使用される各関節モーメント計算ユニット；
各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を前記動力学モデルに代入し、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント及び進行方向に沿った変位、速度、加速度を計算し取得し、各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を得るステップに戻るために使用されるイルカ変位及び速度計算ユニットを含む。
The dynamic coupling module specifically includes:
A dynamics model building unit is used to build a dynamics model of the articulated bionic dolphin in Matlab software and set the parameters of mass and length of the articulated bionic dolphin in the dynamics model;
A joint moment calculation unit is used to decompose the force item of the dynamic model into thrust minus resistance, the thrust being the thrust corresponding to the thrust curve under specified underwater working conditions, obtain the resistance at each moment according to the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, and calculate and obtain the resultant force of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment by the thrust minus resistance;
The present invention includes a dolphin displacement and velocity calculation unit that is used to substitute the resultant force of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment into the dynamics model, calculate and obtain the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin and the displacement, velocity, and acceleration along the direction of travel at each moment, and return to the step of obtaining the resistance at each moment based on the velocity-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
本発明によって提供される方法に基づいて、本発明はまた、図９に示されるように、多関節バイオニックイルカ運動制御に基づく水中損傷検出方法を提供し、水中損傷検出方法は、
ステップ９０１：多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得し；前記多関節バイオニックイルカが頭にソナーシステムを取り付け；前記３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用され；前記計算領域３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用され；
ステップ９０２：前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られ；
ステップ９０３：前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出し；
ステップ９０４：前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む多関節バイオニックイルカの動力学パラメータが得られ；
ステップ９０５：前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御することにより、検出対象の水中工学構造物で多関節バイオニックイルカの等速運動とポジショニングサスペンションを制御し、多関節バイオニックイルカの頭部に搭載されたソナーシステムによって、水中工学構造物での損傷部分のターゲット認識と位置決めを実現する。
Based on the method provided by the present invention, the present invention also provides an underwater injury detection method based on multi-joint bionic dolphin motion control, as shown in FIG. 9, the underwater injury detection method includes:
Step 901: Construct and pre-process a 3D model of an articulated bionic dolphin and a computational domain 3D model to obtain a pre-processed model file; the articulated bionic dolphin is equipped with a sonar system on its head; the 3D model is used to simulate the motion mode of the articulated bionic dolphin; the computational domain 3D model is used to emulate the fluid dynamics of the articulated bionic dolphin;
Step 902: Import the preprocessed model file into a computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then obtain the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve and perform fitting to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment;
Step 903: Perform dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
Step 904: According to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, complete the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin to obtain the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin, including the moment, acceleration, velocity, and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment;
Step 905: Based on the dynamics parameters of the multi-jointed bionic dolphin, use PWM pulse width modulation technology to control the output moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment, thereby controlling the uniform velocity motion and positioning suspension of the multi-jointed bionic dolphin in the underwater engineering structure to be detected, and realize the target recognition and positioning of the damaged part in the underwater engineering structure by the sonar system mounted on the head of the multi-jointed bionic dolphin.
本発明は、多関節バイオニックイルカの頭部にソナーシステムを設置することにより、本発明の正確な多関節バイオニックイルカ運動制御方法により、水中工学構造物の損傷検出及び位置識別を実現できる。 By installing a sonar system on the head of a multi-jointed bionic dolphin, the present invention can achieve damage detection and location identification of underwater engineering structures through the accurate multi-jointed bionic dolphin motion control method of the present invention.
本明細書の各実施形態は累進的な方式で説明され、各実施形態は他の実施形態との相違点に焦点を当てており、各実施形態の同一及び類似の部分は互いに参照することができる。実施形態で開示されるシステムに関しては、実施形態で開示される方法に対応するため、説明は比較的に簡単であり、関連情報については、方法部分の説明を参照してください。 Each embodiment in this specification is described in a progressive manner, with each embodiment focusing on the differences from other embodiments, and the same and similar parts of each embodiment can be referenced to each other. As for the systems disclosed in the embodiments, the explanations are relatively brief since they correspond to the methods disclosed in the embodiments, and for related information, please refer to the explanations in the method section.
本明細書では、具体的な例を使用して本発明の原理と実施形態を説明したが、上記の実施形態の説明は、本発明の方法とその核となる思想を理解するのに役立つだけである同時に、当業者にとっては、当技術分野では、本発明の思想に従って、具体的な実施形態及び適用範囲に変化がある。要約すると、本明細書の内容は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。 In this specification, the principle and embodiments of the present invention are described using specific examples. The above description of the embodiments is only helpful for understanding the method of the present invention and its core idea. At the same time, for those skilled in the art, there are changes in the specific embodiments and application scope according to the idea of the present invention in the technical field. In summary, the contents of this specification should not be interpreted as limiting the present invention.
Claims (10)
多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用される多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される多関節バイオニックイルカの計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得することと；
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む動力学パラメータが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御することと、を含むことを特徴とする方法。 A method for controlling articulated bionic dolphin motion, comprising:
Constructing and preprocessing a 3D model of the articulated bionic dolphin used for simulating the motion mode of the articulated bionic dolphin and a computational domain 3D model of the articulated bionic dolphin used for fluid dynamics emulation of the articulated bionic dolphin to obtain a preprocessed model file;
The preprocessed model file is imported into a computational fluid dynamics analysis software to perform a fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve is obtained and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment;
Performing a dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
According to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin is completed, and the dynamics parameters including moment, acceleration, velocity and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment are obtained;
and controlling the output moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each instant of time using PWM pulse width modulation technique based on dynamics parameters of the multi-jointed bionic dolphin.
多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築することと；
前記多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルをインポートして、３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルに対してモデルの簡素化と表面メッシュ分割の前処理を実行して、前処理済みのモデルファイルを取得することと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 Constructing and preprocessing the 3D model of the articulated bionic dolphin and the 3D model of the computational domain to obtain the preprocessed model file specifically includes:
Constructing a 3D model of an articulated bionic dolphin and a 3D model of a computational domain;
2. The method of claim 1, further comprising: importing a 3D model of the articulated bionic dolphin and a 3D model of a computational domain; and performing model simplification and surface mesh division preprocessing on the 3D model and the 3D model of the computational domain to obtain a preprocessed model file.
前記前処理済みのモデルファイルをインポートして、計算領域の確立を完成し、ボディメッシュを生成し、境界を定義し、多関節バイオニックイルカ変形運動操作を定義することと；
計算領域の水流速度をゼロに設定し、多関節バイオニックイルカの尾部をスイングさせ、多関節バイオニックイルカが所定の運動方程式でスイングする場合の推力曲線を算出して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線とすることと；
相対運動の原理に基づいて、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの直線運動を速度合成し、合成速度を水の流れに変換して流体力学エミュレーションし、推力の作用下での多関節バイオニックイルカの理論上の推進速度までに水流速度を徐々に増加させて、指定の水中作業条件での多関節バイオニックイルカの加速度運動中の異なる運動速度での流体力学曲線を取得することと；
前記推力曲線と流体力学曲線に基づいて、差を求め、多関節バイオニックイルカが各瞬間に所定の運動方程式でスイングするときの速度につれて変化する抵抗曲線をフィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブとすることと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 Specifically, the preprocessed model file is imported into the computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions, and then the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve is obtained and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
Importing the preprocessed model file to complete the establishment of the calculation domain, generate the body mesh, define the boundary, and define the deformation motion operation of the multi-joint bionic dolphin;
Setting the water flow velocity in the calculation area to zero, swinging the tail of the multi-jointed bionic dolphin, and calculating the thrust curve when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a specified equation of motion, as the thrust curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions;
Based on the principle of relative motion, the linear motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions is velocity synthesized, the synthesized velocity is converted into water flow for hydrodynamic emulation, and the water flow velocity is gradually increased to the theoretical propulsion speed of the multi-joint bionic dolphin under the action of thrust, so as to obtain hydrodynamic curves at different motion speeds during the acceleration motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions;
The method according to claim 1, characterized in that it includes: calculating a difference based on the thrust curve and the fluid dynamics curve, and fitting a resistance curve that changes with the speed when the articulated bionic dolphin swings according to a predetermined equation of motion at each moment to obtain a speed-resistance fitting curve of the articulated bionic dolphin at each moment.
多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、ラグランジュ法を用いて流体力を集中させ、多関節バイオニックイルカの動力学解析をマルチボディダイナミクスシステム解析に変換し、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 Performing a dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin and deriving a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin,
2. The method of claim 1, further comprising: performing a dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin; concentrating fluid forces using a Lagrangian method; converting the dynamics analysis of the multi-jointed bionic dolphin into a multibody dynamics system analysis; and deriving a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin.
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデルを構築し、動力学モデルで多関節バイオニックイルカの質量と長さのパラメータを設定しておくこと；
前記動力学モデルの力項目を推力マイナス抵抗に分解し、推力は指定の水中作業条件下での推力曲線に対応する推力であり、各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を取得し、推力マイナス抵抗を利用して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を計算して取得すること；
各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節の合力を前記動力学モデルに代入して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント及び進行方向に沿った変位、速度、及び加速度を計算し取得し、前記各瞬間における前記多関節バイオニックイルカの速度―抵抗フィッティングカーブに基づいて、各瞬間における抵抗を得るステップに戻ることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 According to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin is completed, and the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin are obtained, specifically:
Constructing a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin , and setting parameters of mass and length of the multi-joint bionic dolphin in the dynamics model;
The force item of the dynamic model is decomposed into thrust minus resistance, the thrust is the thrust corresponding to the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the resistance at each moment is obtained according to the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, and the thrust minus resistance is used to calculate and obtain the resultant force of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment;
The method according to claim 1, characterized in that it includes substituting the resultant force of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment into the dynamics model to calculate and obtain the moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin and the displacement, velocity, and acceleration along the direction of travel at each moment, and returning to the step of obtaining the resistance at each moment based on the velocity-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用される多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用される多関節バイオニックイルカの計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得するために使用される、３Ｄモデルの構築及び前処理モジュールと；
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られる、流体力学エミュレーションモジュールと；
前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する動力学解析モジュールと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む動力学パラメータが得られる動力学カップリングモジュールと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御するイルカ運動制御モジュールと、を含むことを特徴とするシステム。 A control system for articulated bionic dolphin movement, comprising:
a 3D model construction and preprocessing module used to construct and preprocess a 3D model of the articulated bionic dolphin used to simulate the locomotion mode of the articulated bionic dolphin and a computational domain 3D model of the articulated bionic dolphin used for the hydrodynamic emulation of the articulated bionic dolphin to obtain a preprocessed model file;
A fluid dynamics emulation module, which imports the preprocessed model file into a computational fluid dynamics analysis software to perform fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then obtains and fits the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment;
A dynamics analysis module for performing dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
A dynamic coupling module, which completes the dynamic coupling of the multi-joint bionic dolphin according to the dynamic model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, to obtain the dynamic parameters including moment, acceleration, velocity, and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment;
and a dolphin motion control module that controls the output moment of each joint of the multi-jointed bionic dolphin at each moment using PWM pulse width modulation technique based on the dynamics parameters of the multi-jointed bionic dolphin.
多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築する３Ｄモデル構築ユニット；
前記多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルをインポートして、３Ｄモデル及び計算領域の３Ｄモデルに対してモデルの簡素化と表面メッシュ分割の前処理を実行して、前処理済みのモデルファイルを取得する前処理ユニットを含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。 The 3D model construction and pre-processing module specifically includes:
a 3D model construction unit that constructs a 3D model of the articulated bionic dolphin and a 3D model of the computational domain;
The system of claim 6, further comprising a pre-processing unit for importing the 3D model of the articulated bionic dolphin and the 3D model of the computational domain, and performing pre-processing of model simplification and surface mesh division on the 3D model and the 3D model of the computational domain to obtain a pre-processed model file.
前記前処理済みのモデルファイルをインポートして、計算領域の確立を完成し、ボディメッシュを生成し、境界を定義し、多関節バイオニックイルカ変形運動操作を定義するモデルファイルインポートユニットと；
計算領域の水流速度をゼロに設定し、多関節バイオニックイルカの尾部をスイングさせ、多関節バイオニックイルカが所定の運動方程式でスイングする場合の推力曲線を算出して、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線とする推力曲線計算ユニットと；
相対運動の原理に基づいて、指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの直線運動を速度合成し、合成速度を水の流れに変換して流体力学エミュレーションし、推力の作用下での多関節バイオニックイルカの理論上の推進速度までに水流速度を徐々に増加させて、指定の水中作業条件での多関節バイオニックイルカの加速度運動中の異なる運動速度での流体力学的曲線を取得する流体力学曲線計算ユニットと；
前記推力曲線と流体力学曲線に基づいて、差を求め、多関節バイオニックイルカが各瞬間に所定の運動方程式でスイングするときの速度につれて変化する抵抗曲線をフィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブとする速度－抵抗フィッティングカーブ計算ユニットとを含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。 The fluid dynamics emulation module specifically includes:
A model file import unit for importing the preprocessed model file to complete the establishment of the calculation domain, generate the body mesh, define the boundary, and define the deformation motion operation of the multi-joint bionic dolphin;
A thrust curve calculation unit, which sets the water flow velocity in the calculation area to zero, swings the tail of the multi-jointed bionic dolphin, calculates the thrust curve when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined motion equation, and sets it as the thrust curve of the multi-jointed bionic dolphin under specified underwater working conditions;
A hydrodynamic curve calculation unit, which performs velocity synthesis of the linear motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions based on the principle of relative motion, converts the synthesis velocity into water flow for hydrodynamic emulation, and gradually increases the water flow velocity to the theoretical propulsion speed of the multi-joint bionic dolphin under the action of thrust, to obtain hydrodynamic curves at different motion speeds during the acceleration motion of the multi-joint bionic dolphin under specified underwater working conditions;
The system described in claim 6 further includes a speed-resistance fitting curve calculation unit for calculating a difference based on the thrust curve and the fluid dynamics curve, and fitting a resistance curve that changes with the speed when the multi-jointed bionic dolphin swings according to a predetermined equation of motion at each moment to obtain a speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment.
多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、ラグランジュ法を用いて流体力を集中させ、多関節バイオニックイルカの動力学解析をマルチボディダイナミクスシステム解析に変換し、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出する動力学解析ユニットを含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。 Specifically, the dynamics analysis module:
The system of claim 6, further comprising a dynamics analysis unit for performing dynamics analysis on the multi-jointed bionic dolphin, concentrating fluid forces using a Lagrangian method, converting the dynamics analysis of the multi-jointed bionic dolphin into a multibody dynamics system analysis, and deriving a dynamics model of the multi-jointed bionic dolphin.
多関節バイオニックイルカの３Ｄモデル及び計算領域３Ｄモデルを構築し、前処理して、前処理済みのモデルファイルを取得し；前記多関節バイオニックイルカが頭にソナーシステムを取り付け；前記３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの運動モードをシミュレートするために使用され；前記計算領域３Ｄモデルは、多関節バイオニックイルカの流体力学エミュレーションに使用されることと；
前記前処理済みのモデルファイルを数値流体力学解析ソフトウェアにインポートして流体力学エミュレーションを実行して、水域に流れの有無、流れの速度や方向を含む指定の水中作業条件下での多関節バイオニックイルカの推力曲線と流体力学曲線が得られ、次に、推力曲線と流体力学的曲線の差を求め、フィッティングして、各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカに対して動力学解析を行い、多関節バイオニックイルカの動力学モデルを導出することと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学モデル、指定の水中作業条件下での推力曲線、及び各瞬間における多関節バイオニックイルカの速度－抵抗フィッティングカーブに基づいて、多関節バイオニックイルカの動力学カップリングを完成して、各瞬間における多関節バイオニックイルカの各関節のモーメント、加速度、速度、及び変位を含む多関節バイオニックイルカの動力学パラメータが得られることと；
前記多関節バイオニックイルカの動力学パラメータに基づいて、ＰＷＭパルス幅変調技術を使用して、多関節バイオニックイルカの各瞬間における各関節の出力モーメントを制御することにより、検出対象の水中工学構造物で多関節バイオニックイルカの等速運動とポジショニングサスペンションを制御し、多関節バイオニックイルカの頭部に搭載されたソナーシステムによって、水中の工学的構造物での損傷部分のターゲット認識と位置決めを実現することと、を含むことを特徴とする方法。 A method for underwater injury detection based on multi-joint bionic dolphin motion control, comprising:
Constructing and preprocessing a 3D model of an articulated bionic dolphin and a computational domain 3D model to obtain a preprocessed model file; the articulated bionic dolphin is equipped with a sonar system on its head; the 3D model is used to simulate the motion mode of the articulated bionic dolphin; the computational domain 3D model is used to emulate the fluid dynamics of the articulated bionic dolphin;
The preprocessed model file is imported into a computational fluid dynamics analysis software to perform a fluid dynamics emulation to obtain the thrust curve and the fluid dynamics curve of the multi-jointed bionic dolphin under the specified underwater working conditions, including the presence or absence of flow in the water body, and the flow speed and direction, and then the difference between the thrust curve and the fluid dynamics curve is obtained and fitted to obtain the speed-resistance fitting curve of the multi-jointed bionic dolphin at each moment;
Performing a dynamics analysis on the multi-joint bionic dolphin to derive a dynamics model of the multi-joint bionic dolphin;
According to the dynamics model of the multi-joint bionic dolphin, the thrust curve under the specified underwater working conditions, and the speed-resistance fitting curve of the multi-joint bionic dolphin at each moment, the dynamics coupling of the multi-joint bionic dolphin is completed, and the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin, including the moment, acceleration, velocity and displacement of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment, are obtained;
The method includes: using PWM pulse width modulation technology to control the output moment of each joint of the multi-joint bionic dolphin at each moment based on the dynamics parameters of the multi-joint bionic dolphin, thereby controlling the uniform velocity motion and positioning suspension of the multi-joint bionic dolphin in the underwater engineering structure to be detected; and realizing target recognition and positioning of the damaged part in the underwater engineering structure by a sonar system mounted on the head of the multi-joint bionic dolphin.
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