.基于人造侧线系统的机器鱼游动模态感知研究

侧线系统是水生物感知周围水环境的重要感知器官。凭借侧线系统优良的感知能力,水生物可以做出合理游动模态来适应周围水环境。目前水下机器人面临着感知周围水环境信息的困难,所以我们提出依据水生物侧线系统的结构特点在机器鱼上设计人造侧线系统。我们这里探讨了箱鲀鱼侧线系统的结构特点和感知原理;介绍了机器鱼的人造侧线系统设计原理;并通过这套人造侧线系统来对机器鱼游动模态进行感知研究。     

机器鱼游动性能改善方法

为了提高机器鱼的推进速度和推进动力,对机器鱼尾鳍的大小和形状进行改善。通过分析仿生机器鱼的波动方程得到尾鳍面积与推力的关系,从鱼尾形状、鱼尾弧口深度、鱼尾大小、鱼尾软硬度4个方面出发,依次采用solidworks设计了鱼尾形状,根据2种软硬度下不同形状的游动速度,得到最佳形状及软硬度,在此最佳形状的基础上改变弧口深度,并通过实体实验确定了最佳鱼尾大小方案。实验结果表明:机器鱼的游动性能受鱼尾形状、大小、软硬度等多个因素共同影响,使用较软材料的月牙形鱼尾对鱼游行较为有利。     

基于人工侧线系统的动载体流场感知

为增强水下航行器的导航和感知能力,通过模拟鱼类侧线在水下航行器中搭建人工侧线系统。介绍鱼类 侧线的功能和人工侧线的国内外研究现状,分析侧线管神经丘的生物模型以及 BP 神经网络算法的原理;将实验和 数值模拟方法相结合,分别收集水下航行器在不同流场环境下的静压数据;通过神经网络算法对流场的流速以及来 流角度进行识别。结果表明：BP 神经网络算法可有效识别流场参数,识别率达到 95%以上。     

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。     

人造侧线系统综述

侧线系统是水中动物特别是鱼类的重要感知系统,可以帮助动物有效感知周围的水动态环境信息。在水中机器人,特别是仿生机器鱼上设计和安装人造侧线系统,是当前水中机器人研究的新方向和热点。概述了鱼类侧线系统的结构特点和感知原理;介绍了人造侧线系统的实现原理和的实验研究状况;分析了人造侧线系统研究存在的一些难点和问题,并对今后的发展趋势和应用前景进行了展望。     

基于坐标变换的机器鱼顶球算法

为了使机器鱼的顶球兼备速度性和连贯性并提高带球进攻效率,提出一种基于坐标变换的顶球算法。在分析典型的顶球算法的基础上,设计了机器鱼的几种简单动作,依据机器鱼、球和对方球门的坐标几何位置关系的设计决策机制来选择机器鱼下一步动作,并在多水中机器人协作控制平台上进行了单鱼顶球实验。实验结果表明,该算法是有效的,能大大提高机器鱼顶球效率和缩短一次进球所需要的时间。     

基于模糊控制的仿生机器鱼避障算法

在具有复杂性与不确定性的水环境下,针对无法建立精确的水下机器人控制数学模型问题,提出基于模糊控制的仿生机器鱼避障算法。将视线导航原理与模糊控制思想相结合,进行水下机器人路径规划。通过专家经验,设计一个模糊控制器,实时调整水下机器人的运动方向,并通过仿真实验验证该算法的有效性。仿真及实验结果表明：该算法能实时、稳定地提供水下机器人的运动路径,有效躲避障碍物,安全达到目标点。     

基于任务规划的多机器鱼协作策略

为解决2D仿真机器鱼比赛中多鱼对抗项目的任务分工、整体合作及实时动态调整问题,提出基于多机器鱼协作任务规划原理的协作策略。根据机器鱼自身完成任务的能力和效率,将给定的任务分解和分配,按照各比赛项目的特征分别采取不同的协作策略:对2vs2采用群协作分配方式,5vs5项目采用集中分配方式,并设计了三鱼协作队形以提高动作的有效性。仿真结果表明:该协作任务规划方法可增强多鱼的协作能力、动态调整能力和进球率,较好地满足了多机器鱼系统的控制要求。     

基于动作决策的机器鱼顶球算法

为了使机器鱼的顶球兼备速度性和连贯性并提高进球效率,提出一种基于动作决策的顶球算法。在分析典型的顶球算法的基础上,设计了机器鱼5种简单动作,依据机器鱼、球和对方球门的坐标几何位置关系的设计决策机制来选择机器鱼下一步动作,并在机器人水球比赛平台上进行了单鱼顶球实验进行算法验证。实验结果表明,该算法能大大缩短一次进球所需要的时间。     

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.     

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。     

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。     

基于模糊逻辑和几何学的机器鱼顶球路径规划

针对人工势场法及流场法的缺点,将模糊逻辑与几何学路径规划方法相结合,提出一种新的机器鱼顶球路径规划方法。利用几何方法规划机器鱼的运动轨迹,采用模糊规则产生机器鱼的方向控制指令,使得机器鱼能够沿期望轨迹运动,并在机器鱼平台上进行了验证。结果表明,该方法是有效的,能使机器鱼的位姿始终处于最佳的顶球状态。