仿鱼柔性长鳍波动运动分析与建模

研究了弓鳍目鱼“尼罗河魔鬼”的柔性波动长背鳍.针对波动长鳍大的柔性变形特征,提出了由N根刚性鳍条依靠柔性薄膜连接组成的柔性波动长鳍简化模型;在分析长背鳍运动和流固耦合的基础上,建立了柔性波动长鳍的运动学模型;进而,从弹性薄壳理论出发,考虑柔性长鳍结构的几何非线性,并引入无矩薄壳理论的假定,建立了柔性长鳍波动的平衡方程.依据所建立的运动学模型和柔性长鳍波动的平衡方程,可以进一步解析柔性长鳍波动运动的动力学性能.     

柔性长鳍波动仿生推进器的波动控制研究

波动仿生推进器是以"尼罗河魔鬼"为仿生对象设计的新型水下推进装置.它依靠柔性长鳍的波动运动来实现载体的前进、后退、制动等各种机动动作.针对柔性长鳍特有的波动控制问题,本文分析了柔性长鳍的运动模型,并设计了一种分布式控制系统结构.在此基础上,提出了一种具有一定自适应能力的模糊协调控制系统.它将模糊控制器和自适应单元相结合,解决了不确定环境下柔性长鳍的波动控制问题.水池试验结果表明了控制系统的有效性.     

柔性长鳍波动推进流体动力测试平台

为辅助研究鱼类MPF推进模式中的柔性长鳍波动推进动力学问题,论文研究了构建柔性长鳍波动推进流体动力测试平台的技术方案.论文首先根据功能需求确定了测试平台的总体结构,并着重讨论了作为受试模型的柔性长鳍仿生装置以及具有6分力与6自由度运动参数测量功能的流体动力测量系统的设计与实现.测试平台利用仿生装置模拟仿生对象多种波动运动模式,借助测量系统对受试模型的各种波动运动进行静态与动态流体动力/力矩测量,并通过测控系统对整个平台进行远程测控.论文研究的测试平台将为柔性长鳍波动推进机理及控制技术研究提供重要试验平台.     

仿生魟鱼环形胸鳍波动推进的流场仿真

针对自主设计的仿生魟鱼水下机器人环形胸鳍波动推进过程进行了流场仿真研究。基于魟鱼前进运动时的胸鳍波动特征,建立了仿生环形胸鳍三维波动运动模型。利用CFD对胸鳍波动推进过程进行数值计算,分析了波动胸鳍产生的拉力以及前向运动的速度等推进性能。研究了周期波动过程中鳍面的周向压力分布,进行鳍面附近核心涡以及切面二维涡分量的计算,分析了涡的产生、发展以及尾迹涡的相关特性。结果表明,稳定后的拉力系数以近似正弦波形式进行波动,鳍面波动前后缘分布的高压和低压区域随波动沿周向从前往后传播,环形波动长鳍最终在尾迹处形成卡门涡,流场分析为仿生魟鱼水下机器人的运动控制及性能优化提供理论基础。     

基于强化学习的波动鳍推进水下作业机器人悬停控制

本文针对波动鳍推进水下作业机器人的悬停控制问题开展研究. 首先, 给出了波动鳍推进水下作业机器人 的运动学模型、动力学模型和波动鳍的参数–力映射模型, 建立了基于马尔可夫决策过程的悬停控制训练框架. 其 次, 基于模型结构和训练策略, 使用强化学习的方法进行网络训练, 得到最佳的悬停控制器. 最终, 在室内水池中完 成了波动鳍推进水下作业机器人的悬停控制实验, 实验结果验证了所提方法的有效性.     

周期性扰动对鱼鳍波动推进性能影响数值研究

在鱼鳍的推进性能的研究中,鱼鳍波状运动产生推进力使鱼类具有很高的机动性,可以在复杂的水下环境中穿梭自如,可以实现精确的位置和姿态控制,且运动更具连续性和平稳性.针对上述问题,建立了鱼鳍摆动和波动的运动学方程,并借助于流体动力学软件比较分析了鱼鳍在没有前端扰动和加入前端扰动两种情况下的波动推进力和升力产生的机理,分析前后缘涡产生、脱泻、相互作用的过程,揭示前端周期性扰动对鱼鳍波动推进性能的影响及其规律.仿真结果显示:波动鳍对前端周期性扰动形成的尾迹反卡门涡街进行重新调制,可以从中获取能量用于提高自身波动推进性能.研究为研制高性能的多鱼鳍协调控制推进的仿鱼鳍推进器提供理论依据.     

一种仿生水下机器人的设计与动力学分析

设计了一种基于波动长鳍推进的仿生水下机器人, 两侧长鳍对称安装于机器人本体两侧. 两侧长鳍分别由十个舵机驱动, 并按照余弦函数波动. 设计了实时控制器, 通过调整鳍条的振动频率和幅值达到控制长鳍运动的目的. 加速度信息和角速度信息由一个惯性测量单元采集. 为获取机器人游动性能与振动频率以及振动幅值之间的关系, 本文给出了长鳍波动运动的运动学分析和动力学分析. 本文通过将长鳍分割成若干小单元并单独计算作用于每个小单元上的作用力, 再计算所有小单元作用力在一个波动周期内的合力的方法, 获得了整个长鳍产生的平均推力. 通过前进游动和旋转游动实验, 验证了机构设计、运动学分析和动力学分析的有效性, 最后讨论了游动性能与波动参数之间的关系.     

基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人设计与实现

以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景，主要研究其设计与实现问题．首先，介绍了仿生水下机器人试验模型的设计原则及其系统总体结构，然后重点研究了仿生柔性长鳍、主控模块与通讯系统、运动控制子系统的设计方法、系统构成和工作原理，最后介绍了试验模型的系统测试与航行试验结果及其结论，并指出了仿生水下机器人试验模型的改进重点和柔性长鳍波动推进技术今后的研究方向．基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型的研制成功，初步验证了柔性长鳍波动推进方式应用于水下机器人推进控制系统在原理上和技术上是可行的．     

仿鱼长鳍波动推进水下航行器研究进展与分析

作为一种新型水下机器人,仿鱼长鳍波动推进水下航行器具有噪声低、机动性好等传统水下航行器无法比拟的优点,并得到相关研究人员的广泛关注。本文主要介绍了国内外在仿鱼长鳍波动推进水下航行器推进机理和系统研制方面开展的主要研究工作,在此基础上,分析总结了提升仿鱼长鳍波动推进水下航行器性能需要深入讨论和研究的一些问题。     

基于微舵机控制的仿生鱼设计与实验分析

设计了微舵机控制的仿生鱼,结合鱼胸鳍和鱼尾鳍的配合动作,完成一系列的游弋动作。其中根据鱼类"波动推进理论"的游动机理,实现仿生鱼的前进、转弯运动;根据鱼类"胸鳍法理论"实现上浮、下潜运动;提出加减速游动方案,通过修改X值的方法,实现仿生鱼的加减速游。组装并进行水上模拟实验和水下实际实验,调试仿生鱼的各动作协调性,分析仿生鱼在水中的静态平衡和动态平衡问题。     

Polychaete-Like Undulatory Robotic Locomotion in Unstructured Substrates

A biological paradigm of versatile locomotion and effective motion control is provided by the polychaete annelid worms, whose motion adapts to a large variety of unstructured environmental conditions (sand, mud, sediment, water, etc.), and could thus be of interest to replicate by robotic analogs. Their locomotion is characterized by the combination of a unique form of tail-to-head body undulations (opposite to snakes and eels), with the rowing-like action of numerous lateral appendages distributed along their long segmented body. Focusing on the former aspect of polychaete locomotion, computational models of crawling and swimming by such tail-to-head body undulations have been developed in this paper. These are based on the Lagrangian dynamics of the system and on resistive models of its interaction with the environment, and are used for simulation studies demonstrating the generation of undulatory gaits. Several biomimetic robotic prototypes have been developed, whose undulatory actuation achieves propulsion on sand and other granular unstructured environments. Extensive experimental studies demonstrate the feasibility of robot propulsion by tail-to-head body undulations in such environments, as well as the agreement of its qualitative and quantitative characteristics to the predictions of the corresponding computational models.     

A Computational Fluid Dynamics （CFD） Analysis of an Undulatory Mechanical Fin Driven by Shape Memory Alloy

Many fishes use undulatory fin to propel themselves in the underwater environment. These locomotor mechanisms have a popular interest to many researchers. In the present study, we perform a three-dimensional unsteady computation of an undulatory mechanical fin that is driven by Shape Memory Alloy (SMA). The objective of the computation is to investigate the fluid dynamics of force production associated with the undulatory mechanical fin. An unstructured, grid-based, unsteady Navier-Stokes solver with automatic adaptive remeshing is used to compute the unsteady flow around the fin through five complete cycles. The pressure distribution on fin surface is computed and integrated to provide fin forces which are decomposed into lift and thrust. The velocity field is also computed throughout the swimming cycle. Finally,a comparison is conducted to reveal the dynamics of force generation according to the kinematic parameters of the undulatory fin (amplitude, frequency and wavelength).     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性，选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究，对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析，同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力；并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较，验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析，说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

基于概率模型的非均匀数据聚类算法

针对传统K-means型算法的"均匀效应"问题,提出一种基于概率模型的聚类算法。首先,提出一个描述非均匀数据簇的高斯混合分布模型,该模型允许数据集中同时包含密度和大小存在差异的簇;其次,推导了非均匀数据聚类的目标优化函数,并定义了优化该函数的期望最大化（EM）型聚类算法。分析结果表明,所提算法可以进行非均匀数据的软子空间聚类。最后,在合成数据集与实际数据集上进行的实验结果表明,所提算法有较高的聚类精度,与现有K-means型算法及基于欠抽样的算法相比,所提算法获得了5%~50%的精度提升。     

Locomotion and Depth Control of Robotic Fish with Modular Undulating Fins

This paper presents an environmental-friendly robotic system mimicking the undulating fins of a fish. To mimic the actual flexible fin of real fish, a fin-like mechanism with a series of connecting linkages is modeled and attached to the robotic fish, by virtue of a specially designed strip. Each link is able to turn and slide with respect to the adjacent link. These driving linkages are then used to form a mechanical fin consisting of several fin segments, which are able to produce undulations, similar to those produced by the actual fish fins. Owing to the modular and re-configurable design of the mechanical fin, we are able to construct biomimetic robotic fish with various swimming modes by fin undulations. Some qualitative and workspace observations by experiments of the robotic fish are shown and discussed.     

Efficient hyperlink analysis using robust Proportionate Prestige Score in PageRank algorithm

Existing PageRank algorithm exploits the Hyperlink Structure of the web with uniform transition probability distribution to measure the relative importance of web pages. This paper proposes a novel method namely Proportionate Prestige Score (PPS) for prestige analysis. This proposed PPS method is purely based on the exact prestige of web pages, which is applicable to Initial Probability Distribution (IPD) matrix and Transition Probability Distribution (TPD) matrix. This proposed PPS method computes the single PageRank vector with non-uniform transition probability distribution, using the link structure of the web pages offline. This non-uniform transition probability distribution has efficiently overcome the dangling page problem than the existing PageRank algorithm. This paper provides benchmark analysis of ranking methods: PageRank and proposed PPS. These methods are tested with real social network data from three different domains: Social Circle:Facebook, Wikipedia vote network and Enron email network. The findings of this research work propose that the quality of the ranking has improved by using the proposed PPS method compared with the existing PageRank algorithm.