基于机器视觉的生物式水质监测仪的开发

水质监测在水体的安全保护和应急监控中是非常重要的环节.鱼类等生物的生态情况能直观、综合地反映水质指标,通过观察小体鱼类的生态能监测当地水域的水质安全情况.提出采用计算机图像处理技术、网络通信技术和小体鱼类等生物的生态信息观察技术对水质安全进行在线实时监测.     

鱼类行为法水质生物毒性监测仪性能测评研究

水质生物毒性监测能够反映水质的综合状况;基于鱼类行为法的水质生物毒性监测仪是水质污染物在线监测预警的重要技术手段;图像解析法利用计算机图像跟踪处理技术,识别分析鱼类个体行为和群体行为,进而实现对水质生物毒性的监测;对该种类型水质生物毒性监测仪的性能测评进行了研究,将其主要指标分为检测性能类、数据质量类和运行维护类;分别阐述了各项指标的测试方法,并进行了试验测试;结果表明,所归纳总结的三类指标能够用于评价水质生物毒性监测仪对水质状况的反映能力、监测数据的可靠性以及在实际应用过程中的表现情况,可以较为全面地反映仪器性能。     

基于无线传输的水质监测生物传感器设计研究

为弥补传统水质监测耗时长、不能及时反映水质污染状况且智能度低的问题,设计了基于无线传输的水质监测生物传感器.以监测水质生化需氧量(BOD)为监测主体,集成温度(T)、酸碱度(pH)及溶解氧(DO)共计四项水质监测项目.论述了BOD生物传感器的工作原理,设计了多参数集成型水质监测生物传感器的整体结构,阐述了测定多参数水质指标及后端无线传输等过程,为水质监测生物传感器向高度智能化方向发展及仪器的下一步开发提供了基础.     

生物式水质监测的报警方法研究

针对现有理化式水质监测的不足,提出了一种基于生物动态监测的新的水质监测和报警方法.该方法的原理是依据环境污染物对水生生物的压力阈模型,通过计算机对鱼的活动图像进行分析,跟踪每奈鱼的轨迹,进而提取出平均速度、平均高度、平均距离、活鱼条数等4个鱼的行为指标,又在这些行为指标的基础上,设计了基于统计概率的科学报警方法,从而为及时、准确地预报水中水质情况打下了基础.实际的毒性实验表明,该方法能够有效地对水中存在的苯酚等污染物做出报警指示,可以为水务部门饮用水水质的早期预警提供一定的参考.     

基于仿生学和北斗技术的水质检测机器鱼研究与设计

针对常规水质检测方法,存在检测效率低、范围小的问题,提出以研制仿生机器鱼为平台的低成本水质检测方案。以鱼体结合尾鳍的BCF推进模式作为研究对象,分析鱼体波包络曲线的游动机理。运动学参数化计算研究BCF鱼体推进运动姿态,结合CFD流体分析优化机器鱼系统,搭建基于北斗系统BDS的导航定位和水质样本采集系统,并通过实验样机验证了机器鱼检测水质的可行性。     

基于高动态运动模型的多普勒频移仿真

为更好地实现高动态链路中的载波捕获跟踪,以高动态载体在临近空间中的各种简单运动模型为依据,对载体相对于临近空间接收平台的多普勒频移变化趋势进行描述和仿真,在此基础上分析多普勒频移对载波同步产生的影响。理论分析和仿真结果表明,基于高动态载体运动模型的多普勒频移变化曲线能够正确描述高动态运动方式下的多普勒频移变化趋势。     

基于改进的单高斯模型的运动目标检测方法

对传统的单高斯模型作了一些改进,有效地解决了传统单高斯模型中的拖尾、鬼影问题.对单高斯模型中均值与均方差的更新率的选取提出了一种新方案,能够兼顾高斯模型的收敛性和稳定性.将基于色度畸变与一阶梯度信息的阴影消除方法结合起来,能够很好地消除阴影,使得提取出的运动目标轮廓更为精确.实验结果表明,在室内以及背景较为稳定的室外环境下,基于单高斯模型的运动目标检测方法能够很好地检测出运动目标.     

基于生物启发模型的AUV三维自主路径规划与安全避障算法

针对自治水下机器人(AUV)的路径规划问题,在三维栅格地图的基础上,给出一种基于生物启发模型的三维路径规划和安全避障算法. 首先建立三维生物启发神经网络模型,利用此模型表示AUV的三维工作环境,神经网络中的每一个神经元与栅格地图中的位置单元一一对应;然后,根据神经网络中神经元的活性输出值分布情况自主规划AUV的运动路径.静态环境与动态环境下仿真实验结果表明了生物启发模型在AUV三维水下环境中路径规划和安全避障上的有效性.     

移动在线水质监测平台动态避障方法

针对移动水质监测平台在自主导航中遇到移动障碍物的问题,提出了一种将障碍物运动状态预测模型结合速度避障碰撞模型的动态避障新方法。首先,通过移动水质监测平台上的超声波测距模块和图像采集模块测量移动水质监测平台与障碍物的距离和相对方位角,采用坐标系转换的方法计算出障碍物速度和运动方向;其次,利用极大似然估计法建立障碍物运动状态预测模型,通过该模型得到下一个采样时刻障碍物速度和运动方向范围;最后,利用速度避障的碰撞模型,计算出下一时刻的移动水质监测平台的航向角。实验结果证明,所提的避障方法能够规划出一条更为真实的较优路径。与无障碍物运动状态预测模型的避障方法相比,该避障方法能提高动态避障的成功率。     

超空泡射弹尾拍运动流固耦合动力学响应研究

基于ANSYS软件和CFX软件的双向隐式交错迭代法对超空泡射弹尾拍运动过程中的流固耦合响应进行了研究,结构响应仿真采用有限元法、流场仿真采用分相流模型和SST湍流模型,重点比较分析了流固耦合作用对射弹运动姿态和流体动力的影响,给出了尾拍过程中弹体应力的变化规律.     

仿鲹科机器鱼的倒退游动控制

给出了一种新型的仿鲹科机器鱼倒退游动控制方法. 在已有多关节仿鲹科机器鱼的基础上, 仿照欧洲鳗鱼的倒退运动机理, 修正机器鱼尾部关节的摆动规律, 进而实现倒游运动. 给出鲹科机器鱼游动的定性分析, 用于分析仿鲹科机器鱼推进机理和倒退游动的方法. 组合其他运动, 实现倒退游动、倒游中转弯等运动. 通过实验, 给出了机器鱼摆动频率和倒退运动速度之间的关系, 验证了本文所提方法的有效性.     

鱼类群体运动的元胞自动机模型中的最小势能原理

群体运动是自然界中一种常见的生物行为. 在一定的环境条件下, 社会有机体会表现出不同的集体运动形态. 其中, 旋转是鱼群中常见的群体运动. 但是, 虽然研究人员对鱼群的运动进行过一系列的研究, 这种旋转行为的机理尚不清楚. 本研究假定鱼群的运动模式受势能的支配, 相应提出了鱼类个体运动的势函数并将之融合到元胞自动机中以模拟鱼群的运动. 数值模拟表明, 有限空间内鱼群运动时会形成多种形状, 但当此生物系统按照能量最小原则发展时, 其运动形态最终可能演化成为一个漩涡. 数值模拟与针对红斑马鱼的观察之间的比较验证了本模型的合理性. 能量最小原理是自然界的基本定律之一, 而势能函数的建立定义了鱼类个体与环境之间的关系. 因此, 本研究为深入理解群体运动规律提供了新视角, 表明从流体力学上进一步探究鱼群运动的物理机理是一个具有潜力的研究方向.     

Backward swimming gaits for a carangiform robotic fish

This paper focuses on the gaits planning method of the backward swimming for unsymmetrical structure bio-inspired robotic fish. Based on the differences between the anguilliform mode and carangiform mode swimming, a method for searching gaits of backward swimming was proposed to plan the motion of the developed carangiform robotic fish. The body envelope of European eel’s backward swimming was mimicked according to the freely swimming model, which was proposed to analyze the propulsion produced by the undulation of the multi-link tail. Finally, simulations and experiments were conducted to demonstrate the gaits searching method for the bio-inspired carangiform robotic fish.     

布尔 控制 网络 的集 成集 可控

集群运动的自组织控制相较于控制理论方法更具鲁棒性与灵活性,其中具有强大自组织特性的生物种群多表现为单体的等级交互,其特点是交互双方各自影响互不对称,由于信息交互繁杂导致构建等级交互模型仍充满挑战.鉴于此,使用深度学习技术分析红鼻鱼的集群运动实验数据,构建多参数输入的单体等级交互模型,有针对地设计成对交互的深度网络结构,并进行合理训练以获取交互模型,基于视觉压力挑选出关键邻居,将此模型用于该邻居的等级交互,相较于其他邻居选择方式,所提出智能控制方法与真实鱼类的集群运动具有较一致的宏观特性.仿真实验表明:所提出方法能扩展应用到更大规模的集群聚合运动控制中,使得单体仅利用局部信息即可实现大规模的集群运动;该方法具有使用简单、规模灵活、计算快速的特点,在多机器人控制、智能交通系统、饱和集群攻击以及多智能体物流等领域具有广阔的应用前景.     

基于人工侧线的相邻仿生机器鱼感知研究

侧线系统是鱼类重要的感知器官,鱼类可以通过侧线器官实现对周围环境的感知,从而进行捕食、避敌以及一些群体行为.鱼类尾鳍摆动时会形成反卡门涡街,研究反卡门涡街对于仿生机器人的位姿和运动状态感知具有重要意义.以仿生机器鱼为平台、以侧线系统为依据,在机器鱼上实现人工侧线系统,当前方不同相对横向位置处机器鱼尾鳍摆动时,利用人工侧线实现对尾鳍摆动产生的反卡门涡街进行信息感知,从而间接识别机器鱼的相对横向位置,为群体机器鱼的相互感知提供了新思路.     

仿生机器鱼艏向摆动动力学仿真及分析

由尾鳍拍动产生侧向力导致的机器鱼的艏摇能够影响航行器的推进效率。该文首次运用Adamas软件埘北京航空航天大学机器人研究所“SPC—Ⅱ”仿生机器鱼进行了尾鳍受力分析和动力学仿真。从鱼体和尾鳍推进机构质阜比、拍动频率以及对尾鳍攻角的影响三个方面对仿真结果进行了分析，得出以下结论：随着鱼体和尾鳍推进机构质量比的增大以及频率的增大。艏摇不断减小；鱼体和尾鳍推进机构质量比小于78，没有出现共振现象；艏摇的存在会明显的衰减尾柄主臂和尾鳍攻角的角位移。     

Bio-harmonized control experiments of a carangiform robotic fish underwater vehicle

This paper presents experimental implementation and comparison of three different control schemes of a bio-inspired robotic fish underwater vehicle. The dynamics model is obtained by unifying conventional rigid body dynamics and bio-fluid dynamics of a carangiform fish swimming given by Lighthill’s(LH) slender body theory. It proposes an inclusive mathematical design for better control and energy efficient path travel for the robotic fish. The system is modeled as an two-link robot manipulator (caudal tail) with a mobile base (head). This forward thrust drives the robotic fish head represented by a combined non-linear equation of motion in earth fixed frame. We develop and compare the dynamic motion closed loop control strategy of the bio-harmonized robotic fish based on three different non-linear control schemes using CTM (Computed Torque Method), FF (Feed-Forward) controllers both with dynamic PD compensation and finally a proposed combination of CTM with FF. An inverse dynamic control method based on non-linear state function model including hydrodynamics is proposed to improve tracking performance. CTM control generates a feedback loop for linearization and decoupling robot dynamic model with a shorter response time, while a dynamic PD compensation in the FF path is employed by FF scheme through the desired trajectories. FF model-based strategy results in an improved tracking and shorter route to travel between two points. Overall results indicate that performances of the proposed control schemes based on the inverse dynamic model are comparable and useful for robotic fish motion tracking in fluid environment.     

仿生机器鱼俯仰与深度控制方法

提出一种基于重心改变法的仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法, 用于实现机器鱼水中的浮潜运动. 该方法利用一种可调整位置的配重块结构, 改变机器鱼的重心位置, 进而实现机器鱼俯仰姿态的调节. 在对机器鱼内部配重块位置和机器鱼俯仰角的关系进行分析的基础上, 对一定速度下机器鱼的深度与俯仰角的关系进行建模, 提出由于尾部形变引起的俯仰姿态变化的补偿方法. 文中给出机器鱼原形样机的相关实验, 分析验证配重块位置变化和机器鱼重心及其姿态的调整, 深度控制等在多种情况下的结果.     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上，设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构，介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模，并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程，对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析，建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性，为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．