本发明涉及一种制作方法，更具体的说是涉及一种基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法。
背景技术：
1、多关节仿生机器鱼具有更高的机动性与隐蔽性，此外传统水下航行器往往采用螺旋桨推进，这种推进方式的推进效率低下，只有40％-50％左右，而仿生机器鱼的运动模拟鱼类的推进模式，具有更高的推进效率，因此相较于采用螺旋推荐的方式，多关节仿生机器鱼在水下具有更长的工作时间。
2、由于多关节仿生机器鱼的外形、总布置、推进和能源整体为一个系统，在制备的过程中需要统一考虑，而目前现有技术中对于机器鱼的制备方法没有充分对外形、总布置、推进和能源进行充分考虑，如此现有的技术中对于仿生机器鱼的制作过程采用传统螺旋线式的串行设计方法存在明显的缺点，如效率低，设计成本高，设计周期长等，而且很难获得整体最优的设计方案，如现有技术中有专利号为202311796973.6，名称为一种深水网箱智能清洁机器鱼及其制作方法的发明专利公开了一种机器鱼的制作方法，在其公开的制备方法中，仅是实现模型几何形态最小的形状阻力以及最小的水域环境扰动，探究节能高效的仿生机器鱼外形，并未对机器鱼的整个系统进行充分考虑设计，因此存在效率低，设计成本高，设计周期长等，而且很难获得整体最优的设计方案的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种克服传统串行优化设计方法存在的问题，充分考虑复杂工程系统设计中多个学科或子系统之间的耦合作用，提供一种基于组合近似模型的多关节仿生机器鱼的制作方法，提高多关节仿生机器鱼优化设计的效率。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
3、步骤一，规划多关节仿生机器鱼的总体优化设计任务，依据多学科设计优化原理将多关节仿生机器鱼划分为水动力外形、总布置、推进和能源四个子系统；
4、步骤二，分别对步骤一划分好的四个子系统：水动力外形、总布置、推进和能源这四个子系统进行分析建模，明确各子系统的设计变量以及约束条件，进一步分析子系统中设计变量存在的不确定性，确定概率约束条件；
5、步骤三，在isight中对水动力外形子系统分析模型进行试验，建立输入-输出的数据集，构建水动力外形分析模型的组合近似模型，以替代cfd数值模拟；
6、步骤四，利用并行子空间设计方法处理学科或子系统间耦合关系，通过组合近似模替代耦合状态变量，并在matlab中构建关于水动力外形、总布置、推进和能源四个子系统的多关节仿生机器鱼的多目标多学科可靠性优化框架，通过一次可靠度方法对优化问题中的概率约束进行分析，计算相应的失效概率，最后使用多目标粒子群优化算法来执行优化；
7、步骤五，将步骤四优化完成的水动力外形子系统得到的设计变量输入到3d打印机中，通过3d打印机制作机器鱼的刚性外壳和艉部，之后安装主控制板、能源和推进电机，然后选取一个与主控制板通信的控制器，依据总布置与静平衡子系统中得到的优化设计变量，计算机器鱼的纵倾角大小输入控制器内，之后基于能源子系统中的优化设计变量，分析舵机所需提供的最大扭矩，选取所需的舵机型号装入到外壳内，最后以推进子系统获得的运动优化设计变量为控制目标，调整控制器信号的输出方式，以利用比例-积分-微分控制器来实现机器鱼的前游运动，完成机器鱼的制备。
8、作为本发明的进一步改进，所述步骤二中对水动力外形子系统的建模方式如下：利用ug软件对仿生机器鱼的外形进行参数化建模，并自动输出相应的parasolid几何模型文件，再通过icem软件读取生成的parasolid文件，建立流场计算域，并对计算域进行网格划分，输出相应的mesh文件，最后利用fluent软件读取生成的mesh文件，并进行流场计算与分析，输出流体阻力值。
9、作为本发明的进一步改进，所述步骤二中对总布置子系统的分析建模方式如下：通过matlab对总布置分析进行建模，计算仿生机器鱼每部分的质量，并分析计算仿生机器鱼的重量和在水中的浮力，以浮力重力平衡和仿生机器鱼的纵倾角θt作为约束条件。
10、作为本发明的进一步改进，所述步骤二中推进子系统的分析建模方式如下：将多关节仿生机器鱼简化为二维平面多连杆机构，利用牛顿-欧拉方法建立仿生机器鱼的动力学模型，以每个关节的运动参数以及每个连杆的长度作为设计变量，并选取连杆长度作为随机变量，分析仿生机器鱼的运动规律，并以求得的仿生机器鱼的前进速度最大化作为输出的优化目标。
11、作为本发明的进一步改进，所述步骤三中在isight中对水动力外形子系统分析模型进行试验的具体步骤如下：
12、步骤三一，在isight中通过最优拉丁超立方试验设计方法给出水动力子系统中设计变量的一组设计点；
13、步骤三二，通过步骤三一给定的一组设计点，执行水动力学分析，收集得到相应的流体阻力输出值，建立输入-输出值的数据集；
14、步骤三三，采用最优加权组合近似模型作为水动力外形子系统分析模型的近似模型；
15、步骤三四，验证最优加权组合近似模型的精度，将收集到的输入-输出数据集划分为样本集，验证集两部分，用样本集初始化最优加权组合近似模型，再利用验证集来验证建立好的最优加权组合近似模型的精度；判断精度是否满足要求，如精度满足要求，则可用于替代水动力外形分析模型，若精度不满足要求，则改变独立近似模型数量，重新训练最优加权组合近似模型，直至满足精度要求。作为本发明的进一步改进，所述步骤四中利用并行子空间设计方法处理学科或子系统间耦合关系的具体方式为：在matlab中建立基于水动力外形，总布置，推进，和能源四个子系统的多关节仿生机器鱼的多目标多学科可靠性设计优化框架，选取机器鱼三根连杆长度为随机变量，通过一次可靠度方法对优化问题中的概率约束进行分析，计算相应的失效概率，最后以多目标粒子群优化算法作为优化器来驱动整个优化进程，得到最后的非支配解集。
16、本发明的有益效果，本发明的方法采用并行子空间设计方法,通过最优加权组合近似模型来对学科或子系统间的耦合关系进行处理，实现学科或子系统间的解耦，使得各个子系统分析可以独立进行，实现并行计算，极大的减少了仿生机器鱼的设计成本，缩短了整体设计周期，并且充分考虑了机器鱼中各子系统之间的耦合关系，提升了设计质量，克服了传统串行设计方法中忽略子系统间耦合关系的缺点，并通过引入最优加权组合近似模型，在保证分析精度的前提下减少了整体系统优化的计算量。另外，通过一次可靠度方法对优化问题中的概率约束进行分析，计算相应的失效概率，保障了设计方案的可靠度。在此基础上，通过引入多目标粒子群优化算法，进而实现了多关节仿生机器鱼的多目标多学科可靠性设计优化。该方法可用于多关节仿生机器鱼水动力外形，总布置，推进，能源一体化概念设计问题，为多关节仿生机器鱼的概念设计开辟了新的思路，具有重要的参考价值。
1.一种基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法，其特征在于：所述步骤二中对水动力外形子系统的建模方式如下：利用ug软件对仿生机器鱼的外形进行参数化建模，并自动输出相应的parasolid几何模型文件，再通过icem软件读取生成的parasolid文件，建立流场计算域，并对计算域进行网格划分，输出相应的mesh文件，最后利用fluent软件读取生成的mesh文件，并进行流场计算与分析，输出流体阻力值。
3.根据权利要求1或2所述的基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法，其特征在于：所述步骤二中对总布置子系统的分析建模方式如下：通过matlab对总布置分析进行建模，计算仿生机器鱼每部分的质量，并分析计算仿生机器鱼的重量和在水中的浮力，以浮力重力平衡和仿生机器鱼的纵倾角θt作为约束条件。
4.根据权利要求1或2所述的基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法，其特征在于：所述步骤二中推进子系统的分析建模方式如下：将多关节仿生机器鱼简化为二维平面多连杆机构，利用牛顿-欧拉方法建立仿生机器鱼的动力学模型，以每个关节的运动参数以及每个连杆的长度作为设计变量，并选取连杆长度作为随机变量，分析仿生机器鱼的运动规律，并以求得的仿生机器鱼的前进速度最大化作为输出的优化目标。
5.根据权利要求1或2所述的基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法，其特征在于：所述步骤三中在isight中对水动力外形子系统分析模型进行试验的具体步骤如下：
6.根据权利要求1或2所述的基于组合近似模型的仿生机器鱼制备方法，其特征在于：所述步骤四中利用并行子空间设计方法处理学科或子系统间耦合关系的具体方式为：在matlab中建立基于水动力外形，总布置，推进，和能源四个子系统的多关节仿生机器鱼的多目标多学科可靠性设计优化框架，选取机器鱼三根连杆长度为随机变量，通过一次可靠度方法对优化问题中的概率约束进行分析，计算相应的失效概率，最后以多目标粒子群优化算法作为优化器来驱动整个优化进程，得到最后的非支配解集。