[发明专利]海豚自由游动的运动学记录装置

说明书

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

技术领域

本发明涉及海豚自由游动的运动学记录装置，属于仿生流体力学领域。

背景技术

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

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

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

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

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

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

发明内容

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

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

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

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

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