两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法的对比研究

给出并比较了两类分别采用鱼体波动方程和中枢模式发生器（Central pattern generator,CPG）控制仿鲹科机器鱼倒游运动的方法.前者主要通过修改鱼体波动方程、颠倒机器鱼各个关节的控制规律来实现 鱼体倒游;后者则基于CPG模型,产生各个关节的节律控制信号.基于CPG的倒游方法可进一步细分为两种:1） 相位颠倒的CPG控制方法,即通过逆转CPG控制机器鱼直游的相位关系;2） 相位-幅值颠倒的CPG控制方法,即通过逆转鱼体波的传播方向和摆动幅值来实现机器鱼倒游.文中针对这两大类、三种机器鱼倒游运动控制方法 进行了分析、仿真和实验.实验结果表明:在相同参数配置下,采用相位颠倒的CPG控制方法产生的倒游速度最大,但游动对水的扰动也最大;而采用鱼体波倒游和相位-幅值颠倒的CPG控制方法时,两者产生的最大倒游速度相差不大,扰动较小.此外,采用鱼体波倒游方法在频率切换时会有抖动现象,需要设计专门的过渡函数来消除;而采用CPG模型的方法 则可以实现平滑过渡.上述结果对提高水下游动机器人的机动性能具有重要的指导意义.     

基于CFD的仿鲹科机器鱼动力学建模与运动控制

仿生机器鱼的运动控制是仿生机器鱼推广应用的基础;然而,仿鲹科机器鱼的推进一般采用鱼体波数据,很少采用真实鱼类游动数据;为了深入探究仿鲹科机器鱼运动控制方法,采用了计算流体力学方法,通过标定流体介质、来流速度、鱼体几何形状等措施,利用Fluent软件进行了建模,然后针对鱼体波数据和真实金枪鱼游动采样数据两种不同推进数据对仿生机器鱼进行了仿真和实验;结果表明对于多关节仿生机器鱼推进方面,真实金枪鱼游动采样数据相较于常见的鱼体波产生的推进数据,在躯干进行大幅值摆动的情况下效果更好;这一仿真和实验对比为仿鲹科机器鱼的高效运动控制提供了一种新思路。     

基于序列图像处理法的机器鱼转向机动性能研究

基于序列图像处理法，对机器鱼的转向性能进行了初步研究．利用高速摄像机记录机器鱼运动过程， 对游动序列图像进行处理，提取机器鱼体干曲线，获取机器鱼转向运动中角度、角速度、角加速度的动态特性．根 据实验结果，给出了机器鱼C 形转向运动的3 个阶段的运动特征，并对理论值和实验测定值之间的差异进行分析． 同时，对静止和运动两种C 形转向运动进行比较，分析了影响C 形转向效果的因素：初始动能以及保持阶段角度大 小，在此基础上，给出了提高机器鱼转向性能的方法．     

水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制

本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼．该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力 学性能的实验平台，具有刚性头部、5关节的柔性身体和月牙形尾鳍，采用无线遥控．机器 鱼体长890mm，水中最大速度为20cm/s，最大转弯角速度为120°/s,最小转弯半径为40cm． 综合性能测试实验和C形运动控制实验表明，该机器鱼具有较好的游动性能和较高的机动性 能．     

仿生机器鱼运动学模型优化与实验

以仿生学为基础的机器鱼是一种新型水下机器人,具有高速、高效、节能等方面优势。为进一步探索仿生机器鱼的运动机理,指出了当前仿生机器鱼运动学模型存在的不足,即未考虑因制造、鱼体结构的影响,而产生的头部左右摆动。故在考虑仿生机器鱼头部摆动的情况下,构建头部摆动方程,引入摆动偏移量,修正其运动学模型。利用MATLAB对模型进行优化,分析结果表明修正后的运动学模型更能够描述实体仿生机器鱼的游动特性。最后,将修正后的运动学模型,运用到三关节仿生机器鱼上进行实验,结果表明,该模型能够有效地抑制仿生机器鱼头部摆动,进而提高了仿生机器鱼的游动速度。     

单驱动仿生机器鱼加速-滑行动态特性的数值研究

通过变截面悬臂梁受迫振动响应模拟鱼体变形,设计了单驱动仿生机器鱼.建立了机器鱼自主游动中变形体耦合动力学方程,运用数值仿真研究的方法探讨了其"加速-滑行"游动模式的动力特性.发现可以通过加速时间和滑行时间的组合得到更高的游动效率,拓展了机器鱼的高效运动控制模式.     

具有嵌入式视觉的仿生机器鱼头部的平稳性控制

具有嵌入式视觉的仿生机器鱼的摄像头往往安装在头部,为了获取稳定的图像数据,研究了游动过程中头部的平稳性控制问题.首先,基于牛顿-欧拉方法对仿生机器鱼的水动力学进行建模.然后,基于动力学模型,比较了两种鱼体波模型下的机器鱼头部摆动情况.进一步地采用遗传算法对输入到运动关节的参数进行优化,实现机器鱼头部的最小摆动.最后,在自主设计的具有嵌入式视觉的仿生机器鱼上进行了实验.结果表明,在平稳性控制后,头部的摆动幅度明显减小,采集到的图像的稳定性与连续性有较大改进,但游动速度有所降低.该方法为基于嵌入式视觉的运动控制与任务执行提供了有效保障.     

水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制

本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼 .该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力学性能的实验平台 ,具有刚性头部、5关节的柔性身体和月牙形尾鳍 ,采用无线遥控 .机器鱼体长 890 mm,水中最大速度为 2 0 cm/s,最大转弯角速度为 12 0°/ s,最小转弯半径为 4 0 cm.综合性能测试实验和 C形运动控制实验表明 ,该机器鱼具有较好的游动性能和较高的机动性能     

仿生机器鱼胸/尾鳍协同推进闭环深度控制

为改善机器鱼定深控制过程中的动态性能与稳态性能,根据深度误差的大小将定深控制过程分解为趋近阶段与巡游阶段,给出了一种基于中枢模式发生器（central pattern generator,CPG）与模糊控制相结合的闭环运动控制方法．为此,首先建立了以压力传感器信号为反馈输入,通过模糊控制器调节控制参数的CPG运动控制模型．在此基础上,针对误差较大的趋近阶段,采用胸/尾鳍协同方式,通过趋近模糊控制器改变摇翼关节的偏置量与幅值来使机器鱼快速到达期望深度;针对误差较小的巡游阶段,采用改变攻角方式,通过巡游模糊控制器改变胸鳍攻角来使机器鱼保持在期望深度．两阶段之间通过胸鳍CPG的启停实现切换．模糊控制器设计时利用了基于最小二乘法对实验数据拟合而得出的俯仰角变化率与控制参数的近似关系,提高了机器鱼趋向期望深度的速度并减小了在期望深度巡游时的稳态误差．仿真与实验结果验证了所提控制方法的有效性．     

机器海豚多模态游动CPG控制

受自然界海豚超凡的水中游动技能启发,机器海豚在军事和民用上具有潜在的广泛应用前景,因此受到研究人员的极大关注. 然而,要实现机器海豚在水中自如地机动游动,必须为机器海豚设计一个具有丰富游动技能的多模态控制器. 为此,通过振荡器建模与分析、中枢模式发生器（Central pattern generation,CPG）与机器海豚关节配对、CPG单元间耦合等环节建立了机器海豚的链式弱耦合CPG运动控制模型,提出一种基于CPG激发产生多模态振荡波形控制机器海豚运动的方法. 详细阐述了机器海豚样机研制、控制器设计、运动控制实现与实验测试等内容. 向前直游、转弯、浮潜等游动实验结果验证了所提出的机器海豚CPG运动控制方法的有效性和实用性.     

Dynamic modeling of a CPG-governed multijoint robotic fish

This paper is devoted to the formulation of a dynamic model of a serially connected multijoint robotic fish with a pair of wing-like pectoral fins, in which the whole robot is treated as a moving multilink rigid body in fluids. Considering that the thrust of fish mainly results from the force of trailing vortex, added lateral pressure, and leading edge suction force, the dynamic equations of the swimming fish have been derived by summing up the longitudinal force, lateral force, and yaw moment on each propulsive component in the context of Lagrangian mechanics. Along with the bio-inspired central pattern generators (CPGs) as the locomotor controller, the overall dynamic propulsive characteristics of the swimming robot are then estimated in a mathematical environment (i.e. Mathematica). Finally, simulations and experiments are carried out to validate the effectiveness of the built dynamic model. Results demonstrate that the CPG-coupled dynamic model provides a fairly good guide to seeking pragmatic backward swimming patterns for a carangiform robotic fish.     

Amphibious Pattern Design of a Robotic Fish with Wheel‐propeller‐fin Mechanisms

This paper is devoted to the underwater and terrestrial locomotion aspects of an amphibious robotic fish propelled by modular fish‐like propelling units and a pair of hybrid wheel‐propeller‐fin mechanisms. According to the mechanical structure and locomotion characteristics of the robot, a central pattern generator (CPG) network comprising coupled oscillators is employed to produce signals for swimming, crawling, as well as transitions between them. Specifically, a set of four key parameters including a tonic input drive, a direction factor, and two pitch factors is introduced to serve as input to the CPG network. Meanwhile, a finite state machine is built to trigger locomotor pattern transitions. Field tests on the amphibious patterns and autonomous water‐land transition demonstrate the effectiveness of the adopted CPG‐based control architecture. The latest results show that the robot attained a maximum advancing speed of 1.16 m/s (corresponding to 1.66 body lengths per second), a minimal turning radius of approximately 0.55 m (corresponding to 0.79 body lengths) on land, as well as an average rolling speed of 204 degrees per second in an alligator‐like roll maneuver. It is also found that the dolphin‐like dorsoventral swimming could provide an increase of 10.3% in speed compared to the fish‐like carangiform swimming on the same propulsion platform.     

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.     

基于波速驱动的机器海豚平均推进速度控制方法

通过分析海豚豚体波推进特点,提出了波速与平均推进速度的匹配方法和工程化的速度匹配方程(Speed-velocity matching equation, SVME), 并进一步设计了基于速度匹配方程的机器海豚平均速度控制实现方法.首先,分析了海豚尾部摆动时呈现的正弦豚体波特征, 指出某一豚体波波速与相应海豚推进平均速度存在严格对应关系,据此给出了速度匹配系数(Speed-velocity matching coefficient, SVMC)定义及速度匹配方程. 然后,以三关节尾部机器海豚为例,根据速度匹配关系特征,建立了三关节尾部摆动豚体波波速与推进平均速度的数学关系. 最后,基于已知的速度匹配系数分布状况,采用分区线性化处理策略分别设计了开环控制方法和自校正控制实现方法. 通过速度匹配系数的取值对机器海豚进行驱动与控制,机器海豚可到达目标平均速度. 实验结果表明,豚体波波速与海豚平均速度存在严格对应关系, 基于速度匹配系数这一数据驱动的机器海豚速度控制方法是可行的.     

胸鳍推进型机器鱼的CPG 控制及实现

结合仿生游动机理,针对胸鳍推进型机器鱼提出了一种基于中枢模式发生器（CPG）的运动控制方法． 该模型采用一类振荡频率和幅值可以独立控制的非线性微分方程作为其神经元振荡器模型,通过最近相邻耦合的方 式,对n 个这样的神经元振荡器进行耦合,构建了仿生机器鱼的CPG 网络模型．证明了此模型单个神经元振荡器的 极限环的存在性、唯一性及稳定性．在此基础上,通过对胸鳍推进的运动学分析,导出机器人直游、倒游、胸鳍—尾 鳍协调运动等多种模式的运动控制方法．仿真及实验结果验证了此中枢模式发生器模型的可行性与所提控制方法的 有效性．     

A Novel Swimming Microrobot Based on Artificial Cilia for Biomedical Applications

Swimming microrobots can exhibit high levels of performance to move freely in the human body fluids to fulfill risky biomedical operations by mimicking microorganisms. Many researchers have proposed micro swimming methods for viscous flows based on flagellar motion. Here, a novel swimming microrobot inspired by ciliated microorganisms based on artificial cilia is introduced. The hydrodynamic model is developed and performance parameters such as propulsive force, propulsive velocity and efficiency of the microrobot are computed. The velocity and efficiency dependence on design parameters of microrobot is evaluated. The proposed micro swimming concept offers appropriate efficiency, thrust, speed and maneuverability. It is shown that the introduced swimming microrobot can reach a maximum speed 4.5 mm/s and efficiency of 40%. The proposed microrobot has the potential to be utilized in both viscous and turbulent body flows.     

基于CPG模型的仿生机器鱼运动控制

仿生机器鱼的研究已经成为一个富有挑战性的热点问题.为了控制机器鱼自身的运动和姿态,本文研究了胸鳍对机器鱼运动的影响,并且基于CPG模型,提出了一种运动控制方法.采用的控制模型由4个振荡器构成,可根据反馈的信息产生节律信号以控制机器鱼胸鳍和尾鳍的运动.根据CPG模型参数与反馈输入之间的关系,设计了机器鱼俯仰和转弯反馈控制方法,利用反馈的信息自主调节CPG参数,达到控制胸鳍运动模式的目的.仿真实验验证了控制模型和反馈策略的有效性.