机器鱼高精度实时反馈控制系统

为实现高速和精确的速度控制,设计一种机器鱼高精度实时反馈控制系统。研究仿生机器鱼的推进速度与鱼尾的摆动频率、幅度的关系,以FPGA为主控芯片,完成机器鱼3自由度舵机的控制和实时状态反馈,并与PC决策系统交换数据;将视觉系统采集处理得到的机器鱼实际前进速度作为反馈,与目标速度作差构成闭环,利用PID算法通过控制3自由度舵机的摆动频率和幅度精确控制机器鱼速度,并通过实验得出速度控制曲线和误差曲线。实验结果表明,该系统能完成机器鱼高精度、高稳定度的速度控制。     

三关节仿生机器鱼的设计与验证

为提高推进模式机器仿生鱼的游动效率,以鲨鱼为仿生对象,设计一种三关节仿生机器鱼平台。依据鯵 科鱼类游动机理,采用大扭矩舵机模拟鲨鱼的摆动,通过CPG 的控制算法实现机器鱼在不同速度档位的游动、转弯 等动作,通过PID 算法实现了机器鱼的定向巡航游动,并对机器鱼样机进行测试验证。测试结果表明,该设计可为 三关节仿生机器鱼设计提供参考。     

基于PID 算法的水中机器鱼方向档位控制方法

为了找到机器鱼在游动过程中每一时刻适应当前速度的最佳方向档位,笔者基于PID算法,提出了一种水中机器鱼方向档位的控制方法。分析PID控制原理,将其用于水中机器鱼方向档位的控制,设计出了适合机器鱼顶水球模型的PD算法,并给出了具体的实现方法和调试思路。实验结果表明:该算法有效地弥补了以往参赛者使用的算法中的不足,可以使机器鱼快速稳定地调整方向位姿,在实际应用中表现出了良好的带球游动性能。     

基于胸鳍辅助推进的仿生机器鱼

为提高仿生机器鱼游动的机动性能并完善传统尾鳍推进模式,设计一种基于胸鳍辅助推进的仿生机器鱼。将胸鳍与尾鳍推进模式相结合,采用正弦信号对仿生机器鱼的尾鳍进行控制,通过胸鳍来调整鱼体方向,从而实现上升及下降的动力提供。对机器鱼整体、主控系统、执行模块和通信模块进行设计,并通过实验验证。实验结果表明：该仿生机器鱼能够更灵活、更精确地实现浅水中前进、上升下潜以及盘旋、回转和制动,并通过人机交互对仿生鱼进行控制,结合其自主避障、图像传输等辅助功能,实现对海洋环境的实时监测。     

一种新型混合游动模式机器鱼的设计方案

为充分利用水流、水层密度差等水下条件来游动以达到节省电量、增大航程的目的,介绍了一种综合多种运动模式于一体的水下机器鱼设计方案。从机械结构、运动模式和控制系统3大部分入手详细介绍机器鱼的设计制作过程。对影响机器鱼游动的重要参数进行水下试验,利用Matlab对得到的数据离散化处理,进行曲线拟合,分析不同控制参数对同一款机器鱼的影响。实验结果表明：该设计新型机器鱼可实现9种运动模式,并能顺利切换原设计的多种游动模式。     

基于遗传算法的机器鱼路径规划

针对在线跟踪机器鱼运动等难题,提出基于对基于遗传算法的机器鱼路径规划方法。采用栅格法对机器鱼工作空间进行划分,然后通过复制、交叉、变异等遗传操作得到机器鱼在由栅格表示环境下的最短无碰路径。根据分段控制和模糊控制的思想分别设计出机器鱼前进的速度控制算法和方向控制算法,使机器鱼的实际推进路线尽量与通过遗传算法得到的理想最优路径一致。再通过计算机向机器鱼发出相应的控制指令。实验结果表明,该方法的是有效的。     

一种改进的仿真机器鱼花样游泳策略

针对国际水中机器人大赛2D仿真项目花样游泳中仿真机器鱼的游动优化问题,从整体思路、程序编写、仿真机器鱼游动3方面提出新策略.整体思路上采用渐变图案和动态画面展示完整的故事和主题;程序编写上利用标志和位姿采集使其模块化,以便于插入新动作程序;仿真机器鱼游动上采用特定的游动角度和游动时间优化直线游动,提升游动路线的直线度,并通过实验和比赛进行验证.验证结果表明:该策略有效地提高了花样游泳编队观赏性、整体协作性和技术难度等级,可为相关研究提供参考.     

基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统

为设计一种新型、游动效率高、可以实现沉浮运动的仿生机器人,以海豚为仿生对象,利用仿生学原理对基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统进行改进.研究海豚的背腹运动尾鳍推进模型,对原有模型中不便于工程实现的方面进行修正.在验证修正后模型可行性的基础上,设计一种三关节柔性尾部加刚性头部的机械结构以及控制流程和配套的电路系统,对机器海豚的沉浮运动进行动力学分析,提出利用PID控制实现平面运动的方法,通过实验验证机器海豚沉浮运动和平面运动的可行性,并给出机器海豚游动速度和尾鳍摆动频率及尾鳍摆幅之间的关系.实验结果表明,基于尾鳍推进模型的机器海豚具有较高的效率和游动速度.     

基于人工侧线系统的机器鱼游动模态感知研究

针对水下机器人面临着感知周围水环境信息的困难的问题,在自主式机器鱼上设计一种人工侧线系统.首先介绍了自主式机器鱼及其人工侧线系统,其次通过改变中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)的运动控制参数决定机器鱼的游动模态,最后通过人工侧线系统得到机器鱼在向前、左转右转和上升下潜时的压强变化.分析结果表明:该套人工侧线系统设计能有效的感知水流信息,为水下机器人提供了一种感知游动模态的新办法.     

基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统

利用仿生学原理,以海豚为仿生对象,研究了一种海豚的背腹运动尾鳍推进模型,并对原有模型中不便于工程实现的方面进行了修正。在验证了修正后模型的可行性的基础上,设计了一种三关节柔性尾部加刚性头部的机械结构以及控制流程和配套的电路系统,完成了样机的研制,并对机器海豚的沉浮运动进行了动力学分析,提出了利用PID控制实现平面运动的方法,通过实验验证了机器海豚沉浮运动和平面运动的可行性,并给出了机器海豚游动速度和尾鳍摆动频率及尾鳍摆幅之间的关系。在此基础上,确定了平面运动的模态。实验结果表明,基于尾鳍推进模型的机器海豚具有较高的效率和游动速度。     

基于遗传算法的机器鱼水中路径规划

针对机器鱼水中路径寻优的具体要求,提出一种以遗传算法为基础的机器鱼路径规划方法。通过介绍遗传算法的3种基本操作,将遗传算法应用到试验场景中规划出最优路径,分析研究了一种根据目标点与机器鱼的距离变化而改变机器鱼运动速度的策略,并进行仿真分析和实验。仿真结果表明：采用遗传算法的水中救援路径规划可将救援时间缩短30%以上,提高了寻优效率。说明遗传算法对机器鱼的路径规划具有积极效果和快速寻优特性。     

基于条件决策的花样游泳算法

针对在全局视觉组花样游泳项目中出现的机器鱼不受控制的现象,提出一种易于实现的基于条件决策的花样游泳算法。通过对3条机器鱼同时运行时各自所处的位置以及相互之间碰撞的分析,对3条机器鱼处在不同状态时所能满足的条件进行判断,以此来决定执行相应的策略。实验结果表明:利用该算法完成的花样游泳项目具有较好的流畅性和较高的观赏性。而且该算法具有较好的扩展性,通过增加判断条件可以实现更加复杂的运动控制。     

仿生机器鱼机械结构使用综合加工技术的应用

为了改善现有仿生机器鱼外部结构存在的诸多问题,提出利用3D打印技术、线切割技术、数控加工技术制作仿生机器鱼头部和内部机械结构件的应用方法。通过CAD制作图纸,选用熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)技术的三维打印成型设备进行外壳制作,并利用雕铣机与线切割技术进行配合件加工。在环氧树脂和树脂清漆涂覆、精打磨再上胶的处理后,配合橡胶鱼尾能完成整个仿生机器鱼的测试。应用结果表明:3D打印以及相关机械加工技术可缩减原型制作时间、加快测试与迭代速度,对仿生机器鱼的加工与应用有较高的实用价值。     

基于蚁群算法的仿真机器鱼动作决策策略

针对仿真机器鱼非对抗赛和对抗赛情况,为使求解结果在既不依赖初始路线的选择,也不需要外界的特定干预的情况下,实现鱼快速、准确的调整,分别提出2种基于蚁群算法的动作决策策略。基于蚁群算法的分支界限法,判断机器鱼关键物理量所在分支,自主确定当前时刻的鱼的速度和角速度档位的最优组合;而基于蚁群算法的动态规划法,在每个周期内,根据机器鱼反馈回来的动态变量及时进行自主调整。以上2种方法经2D仿真平台验证结果表明：机器鱼可根据该策略调整路径,实现速度和方向的组合优化,以最短的时间和距离找到目标点。这说明基于蚁群算法的2种动作决策策略具有很强的适应能力,满足仿真机器鱼对于动作决策的要求。     

一种机器鱼仿真平台场地与动态实体的实时绘制方法

为了解决水中机器人竞赛URWPGSim2D仿真平台1．0版本中无法进行比赛场地的自适应缩放,以及不便于实时提供碰撞检测所需的实体坐标信息等问题,提出一种机器鱼仿真平台场地与动态实体的实时绘制方法。设计比赛场地与动态实体绘制的实现思路,并根据实体机器鱼的游动模型设计仿真机器鱼的外观及运动形态,使仿真平台中的场地以及所有的动态实体的大小都可根据实体机器鱼比赛场地的尺寸进行等比例缩放及显示。同时,新平台中还提供了动态实体、静态实体的实时位置信息,以便平台中其他模块的调用,并且针对碰撞检测的需要提供了各个实体边缘位置的坐标数据。实践结果证明：该方法能将实体机器鱼的比赛场景实时、逼真地表现在URWPGSim2D仿真平台2．0中。