一种扑翼水动力智能测试平台及方法与流程

1.本发明属于扑翼模型实验技术领域，具体为一种扑翼水动力智能测试平台及方法。


背景技术：

2.扑翼模型是指利用机翼或水翼的某种运动形式来产生升力和推力。在航空领域，扑翼被用于开发具有更好稳定性和操纵性，以及更高能源效率的无人机。翼的拍打运动使无人机能够产生升力和推力，不需要传统的推进系统，从而减轻了重量，增加了续航力。在船舶与海洋工程领域，扑翼被用于开发水面船舶和水下航行器的推进系统和操纵系统。翼的拍打运动可以在指定方向产生力，可以用来驱动和操纵水面船舶和水下航行器。在风能利用方面，已有研究认为扑翼可作为传统风力涡轮机的潜在替代品，使其成为一种有前途的可再生能源发电技术。
3.当前扑翼的运动模式多为三角函数的规律性运动，但是自然界的鸟类的翅膀拍打或鱼类的鳍的运动大多是根据自身姿态而调整的不规则运动，当前的实验方法和数值仿真难以找出或者发现鸟类翅膀或鱼鳍拍打动作背后的机理，难以进一步模仿其形态。
4.目前的水动力学实验平台大多需要实验操作人员不定时介入，实验参数需要人工确定，实验时间受到人为因素的干扰，造成数据收集所需时间较长的缺陷，需要设计一种新的测试平台以克服上述缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种扑翼水动力智能测试平台及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种扑翼水动力智能测试平台及方法，包括水池本体，还包括，
7.拖曳龙门组a和拖曳龙门组b，拖曳龙门组a和拖曳龙门组b分别设置于水池本体顶部的两端，
8.水池隔板，其设置于水池本体中并将水池本体平均划分成若干腔室；
9.所述拖曳龙门组a和拖曳龙门组b分别通过a组龙门连接横梁和b组龙门连接横梁连接有若干个三维运动机械云台，所述三维运动机械云台驱动连接有单个扑翼模型，每个腔室内容纳有不超过一个单个扑翼模型。
10.优选地所述拖曳龙门组a包括用于驱动a组龙门连接横梁沿水池本体宽度方向水平移动的a组龙门驱动电机和a组龙门联轴器，所述a组龙门驱动电机通过a组龙门联轴器与a组龙门连接横梁传动连接。
11.优选地所述拖曳龙门组b包括用于驱动b组龙门连接横梁沿水池本体宽度方向水平移动的b组龙门联轴器和b组龙门驱动电机，所述b组龙门驱动电机通过b组龙门联轴器与b组龙门连接横梁传动连接。
12.优选地所述三维运动机械云台包括
13.龙门横梁连接件，其择一与a组龙门连接横梁或b组龙门连接横梁固接，x轴向转动电机，其安装于龙门横梁连接件上，
14.y轴向转动电机，其安装于x轴向转动电机的输出端并受x轴向转动电机带动旋转，
15.z轴向转动电机，其安装于y轴向转动电机的输出端并受y轴向转动电机带动旋转，
16.力传感器，其安装于z轴向转动电机的输出端并受z轴向转动电机带动旋转，
17.扑翼模型连接件，其一端与力传感器连接，其另一端连接有单个扑翼模型，其中，所述力传感器用于检测单个扑翼模型的受力数据。
18.优选地所述腔室设置有8个，所述三维运动机械云台和单个扑翼模型设置有8组。
19.一种扑翼水动力智能测试方法，
20.s1.计算机根据预设的运动参数，发出控制三维运动机械云台三轴转动的指令，拖曳龙门组a和拖曳龙门组b同步运动；
21.s2.在拖曳的过程中，单个扑翼模型根据计算机的指令受三维运动机械云台驱动，力传感器采集数据返回给计算机；
22.s3.拖曳结束后，拖曳龙门组a和拖曳龙门组b自动返回初始位置；
23.s4.等待水面恢复平静后根据下一组运动参数重复s1-s4的过程，在此期间基于力传感器采集的数据和深度强化学习迭代算法，给出下一组运动参数。
24.优选地在拖曳龙门组a和拖曳龙门组b开始同时拖曳8组单个扑翼模型和三维运动机械云台时，在计算机中依托编码解码器结构形成的transformer网络实现双延迟深度确定性策略梯度算法，通过usb总线信号方式将三个初始角速度发送给对应单组三维运动机械云台，三维运动机械云台和单个扑翼模型作为执行机构行使当前运动指令，三维运动机械云台上的力传感器会同时工作，将当前时刻所测得的单个扑翼模型水动力学数据，包含三个方向的受力和扭矩返回给计算机，双延迟深度确定性策略梯度算法将水动力学数据作为实时控制和算法迭代的依据。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明通过设置为多个(以8个为例说明)水槽并行的结构，结合强化学习算法，进行扑翼模型的轨迹水动力学优化。通过对双延迟深度确定性策略梯度算法调整去探索不同的扑翼运动轨迹，并发现其中的机理。该实验平台产生的结果可以为水动力学领域的发展提供有益的数据库，为未来的扑翼设计和开发提供有力的支持。
附图说明
27.图1为本发明测试平台结构示意图；
28.图2为本发明的测试平台结构主视图；
29.图3为本发明三维运动机械云台的结构示意图；
30.图4为本发明测试方法流程图；
31.图5为本发明的单个拖曳过程的数据流示意图。
32.图中：1、水池本体；2、拖曳龙门组a；3、a组龙门连接横梁；4、a组龙门驱动电机；5、a组龙门联轴器；6、三维运动机械云台；6-1、龙门横梁连接件；6-2、x轴向转动电机；6-3、y轴向转动电机；6-4、z轴向转动电机；6-5、力传感器；6-6、扑翼模型连接件；7、b组龙门联轴器；
8、b组龙门驱动电机；9、b组龙门连接横梁；10、拖曳龙门组b；11、单个扑翼模型；12、水池隔板。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种扑翼水动力智能测试平台及方法，包括水池本体1，还包括，
35.拖曳龙门组a2和拖曳龙门组b10，拖曳龙门组a2和拖曳龙门组b10分别设置于水池本体1顶部的两端，
36.水池隔板12，其设置于水池本体1中并将水池本体1平均划分成若干腔室；
37.拖曳龙门组a2和拖曳龙门组b10分别通过a组龙门连接横梁3和b组龙门连接横梁9连接有若干个三维运动机械云台6，三维运动机械云台6驱动连接有单个扑翼模型11，每个腔室内容纳有不超过一个单个扑翼模型11。
38.其中，拖曳龙门组a2包括用于驱动a组龙门连接横梁3沿水池本体1宽度方向水平移动的a组龙门驱动电机4和a组龙门联轴器5，a组龙门驱动电机4通过a组龙门联轴器5与a组龙门连接横梁3传动连接。
39.其中，拖曳龙门组b10包括用于驱动b组龙门连接横梁9沿水池本体1宽度方向水平移动的b组龙门联轴器7和b组龙门驱动电机8，b组龙门驱动电机8通过b组龙门联轴器7与b组龙门连接横梁9传动连接。
40.其中，三维运动机械云台6包括
41.龙门横梁连接件6-1，其择一与a组龙门连接横梁3或b组龙门连接横梁9固接，
42.x轴向转动电机6-2，其安装于龙门横梁连接件6-1上，
43.y轴向转动电机6-3，其安装于x轴向转动电机6-2的输出端并受x轴向转动电机6-2带动旋转，
44.z轴向转动电机6-4，其安装于y轴向转动电机6-3的输出端并受y轴向转动电机6-3带动旋转，
45.力传感器6-5，其安装于z轴向转动电机6-4的输出端并受z轴向转动电机6-4带动旋转，
46.扑翼模型连接件6-6，其一端与力传感器6-5连接，其另一端连接有单个扑翼模型11，其中，力传感器6-5用于检测单个扑翼模型11的受力数据。
47.整个水池本体1被分水池隔板12划分为8个独立区域，三维运动机械云台6置于每个独立区域的中心位置确保运动空间。水池本体1上方架有两组拖曳龙门机构，两组龙门的主动轴电机驱动轴在外侧，从动轴连杆器驱动在内侧，中间的连接横梁连接8组三维运动机械云台6。横梁和三维运动机械云台6通过龙门横梁连接件6-1连接件固定连接，三维运动机械云台6为三自由度的转动机构，通过x轴向转动电机6-2，y轴向转动电机6-3和z轴向转动电机6-4的转动电机驱动下方的扑翼模型。扑翼模型通过扑翼模型连接件6-6连接件和三维
运动机械云台6连接。在扑翼模型连接件6-6连接件上方是力传感器6-5，用于实时测量扑翼模型的受力。
48.其中，腔室设置有8个，三维运动机械云台6和单个扑翼模型11设置有8组。
49.一种扑翼水动力智能测试方法，
50.s1.计算机根据预设的运动参数，发出控制三维运动机械云台6三轴转动的指令，拖曳龙门组a2和拖曳龙门组b10同步运动；
51.s2.在拖曳的过程中，单个扑翼模型11根据计算机的指令受三维运动机械云台6驱动，力传感器6-5采集数据返回给计算机；
52.s3.拖曳结束后，拖曳龙门组a2和拖曳龙门组b10自动返回初始位置；
53.s4.等待水面恢复平静后根据下一组运动参数重复s1-s4步骤，在此期间基于力传感器6-5采集的数据和深度强化学习迭代算法，给出下一组运动参数。
54.其中，在拖曳龙门组a2和拖曳龙门组b10开始同时拖曳8组单个扑翼模型11和三维运动机械云台6时，在计算机中依托编码解码器结构形成的transformer网络实现双延迟深度确定性策略梯度算法，通过usb总线信号方式将三个初始角速度发送给对应单组三维运动机械云台6，三维运动机械云台6和单个扑翼模型11作为执行机构行使当前运动指令，三维运动机械云台6上的力传感器6-5会同时工作，将当前时刻所测得的单个扑翼模型11水动力学数据，包含三个方向的受力和扭矩返回给计算机，双延迟深度确定性策略梯度算法将水动力学数据作为实时控制和算法迭代的依据。
55.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
56.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种扑翼水动力智能测试平台及方法，包括水池本体(1)，其特征在于：还包括，拖曳龙门组a(2)和拖曳龙门组b(10)，拖曳龙门组a(2)和拖曳龙门组b(10)分别设置于水池本体(1)顶部的两端，水池隔板(12)，其设置于水池本体(1)中并将水池本体(1)平均划分成若干腔室；所述拖曳龙门组a(2)和拖曳龙门组b(10)分别通过a组龙门连接横梁(3)和b组龙门连接横梁(9)连接有若干个三维运动机械云台(6)，所述三维运动机械云台(6)驱动连接有单个扑翼模型(11)，每个腔室内容纳有不超过一个单个扑翼模型(11)。2.根据权利要求1所述的一种扑翼水动力智能测试平台及方法，其特征在于：所述拖曳龙门组a(2)包括用于驱动a组龙门连接横梁(3)沿水池本体(1)宽度方向水平移动的a组龙门驱动电机(4)和a组龙门联轴器(5)，所述a组龙门驱动电机(4)通过a组龙门联轴器(5)与a组龙门连接横梁(3)传动连接。3.根据权利要求1所述的一种扑翼水动力智能测试平台及方法，其特征在于：所述拖曳龙门组b(10)包括用于驱动b组龙门连接横梁(9)沿水池本体(1)宽度方向水平移动的b组龙门联轴器(7)和b组龙门驱动电机(8)，所述b组龙门驱动电机(8)通过b组龙门联轴器(7)与b组龙门连接横梁(9)传动连接。4.根据权利要求1所述的一种扑翼水动力智能测试平台及方法，其特征在于：所述三维运动机械云台(6)包括龙门横梁连接件(6-1)，其择一与a组龙门连接横梁(3)或b组龙门连接横梁(9)固接，x轴向转动电机(6-2)，其安装于龙门横梁连接件(6-1)上，y轴向转动电机(6-3)，其安装于x轴向转动电机(6-2)的输出端并受x轴向转动电机(6-2)带动旋转，z轴向转动电机(6-4)，其安装于y轴向转动电机(6-3)的输出端并受y轴向转动电机(6-3)带动旋转，力传感器(6-5)，其安装于z轴向转动电机(6-4)的输出端并受z轴向转动电机(6-4)带动旋转，扑翼模型连接件(6-6)，其一端与力传感器(6-5)连接，其另一端连接有单个扑翼模型(11)，其中，所述力传感器(6-5)用于检测单个扑翼模型(11)的受力数据。5.根据权利要求4所述的一种扑翼水动力智能测试平台及方法，其特征在于：所述腔室设置有8个，所述三维运动机械云台(6)和单个扑翼模型(11)设置有8组。6.一种扑翼水动力智能测试方法，其特征在于：s1.计算机根据预设的运动参数，发出控制三维运动机械云台(6)三轴转动的指令，拖曳龙门组a(2)和拖曳龙门组b(10)同步运动；s2.在拖曳的过程中，单个扑翼模型(11)根据计算机的指令受三维运动机械云台(6)驱动，力传感器(6-5)采集数据返回给计算机；s3.拖曳结束后，拖曳龙门组a(2)和拖曳龙门组b(10)自动返回初始位置；s4.等待水面恢复平静后根据下一组运动参数重复s1-s4步骤，在此期间基于力传感器(6-5)采集的数据和深度强化学习迭代算法，给出下一组运动参数。7.根据权利要求6所述的一种扑翼水动力智能测试方法，其特征在于：在拖曳龙门组a(2)和拖曳龙门组b(10)开始同时拖曳8组单个扑翼模型(11)和三维运动机械云台(6)时，在
计算机中依托编码解码器结构形成的transformer网络实现双延迟深度确定性策略梯度算法，通过usb总线信号方式将三个初始角速度发送给对应单组三维运动机械云台(6)，三维运动机械云台(6)和单个扑翼模型(11)作为执行机构行使当前运动指令，三维运动机械云台(6)上的力传感器(6-5)会同时工作，将当前时刻所测得的单个扑翼模型(11)水动力学数据，包含三个方向的受力和扭矩返回给计算机，双延迟深度确定性策略梯度算法将水动力学数据作为实时控制和算法迭代的依据。

技术总结
本发明属于扑翼模型实验技术领域，且公开了一种扑翼水动力智能测试平台及方法，包括水池本体，还包括，拖曳龙门组A和拖曳龙门组B，拖曳龙门组A和拖曳龙门组B分别设置于水池本体顶部的两端，水池隔板，其设置于水池本体中并将水池本体平均划分成若干腔室。本发明通过设置为多个水槽并行的结构，结合强化学习算法，进行扑翼模型的轨迹水动力学优化。通过对双延迟深度确定性策略梯度算法调整去探索不同的扑翼运动轨迹，并发现其中的机理。该实验平台产生的结果可以为水动力学领域的发展提供有益的数据库，为未来的扑翼设计和开发提供有力的支持。的支持。的支持。


技术研发人员：范迪夏 陈旭 李瑞鹏 王治鹏 李昂 郭鹏明
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2023.06.03
技术公布日：2023/8/14