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.     

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.     

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

胸鳍摆动推进仿生鱼的设计及水动力实验

为实现胸鳍摆动推进模式鱼类的游动,模仿牛鼻鲼构建了仿生鱼.首先,基于摆动胸鳍的生物学特征和运动规律,提出了具有主/被动复合柔性变形能力的仿生胸鳍原理模型.然后通过ADAMS运动学仿真验证了设计方案的可行性,并构建仿生样机.自由游动实验表明,仿生鱼游速可达0.46m/s,约1倍身长比,且具有原地转弯能力,最大转弯速度达60?/s.与国内外其他同类机器鱼相比,在游速和机动性方面均表现出明显的优势.基于准稳态叶素理论,提出了仿生胸鳍水动力简化计算模型.构建水动力实验平台,验证了计算模型的有效性,并通过一系列水动力实验研究了仿生胸鳍的水动力特性.实验结果表明,仿生胸鳍能够产生周期性变化的推、升力,且变化趋势与胸鳍运动控制参数密切相关.     

一种2自由度胸鳍推进机构设计与动力学分析

以箱鲀为仿生对象,设计了一种两侧胸鳍对称布置,单侧2自由度胸鳍能够实现摇翼运动、前后拍翼运动以及两者复合运动的仿生机器鱼,建立了其利用"划水模式"推进的水动力学模型,通过数值方法给出了胸鳍摆动周期、幅值以及初始角的变化与直线游动速度之间的关系,实验结果验证了其有效性.在此基础上,确定了所设计仿生机器鱼采用"划水模式"推进时的直线游动模态.研究结果表明,胸鳍"划水模式"推进的仿生机器鱼具有较高的效率和运动速度.     

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。     

水下网箱破损检测用仿生机器鱼系统设计与研究

针对当前水下网箱破损检测机器人的水体扰动大、推进效率低问题,研制了一种仿生机器鱼系统,实现了低扰动、高效率的水下检测。首先,机器鱼采用身体/尾鳍式推进机理,建立多关节鱼体动力学和运动学模型。其次,设计开发了S形起动与游动策略、三层次螺旋层进式网箱破损检测策略。最后,对仿生机器鱼进行起动游动实验和避障实验。结果表明:该系统设计合理;机器鱼结构可靠、性能良好,最大游速为0.6 m/s,续航时间为3～4 h,成功应用于水下网箱破损检测和精准定位。     

仿生机器鱼的动力学仿真

仿生机器鱼的研究受到各国越来越多的研究工作者的重视,并取得了一定的成果.本文着重研究了仿生机器鱼的尾鳍的动力学并建立了仿生机器鱼的运动模型,并对该模型进行了计算机仿真,研究探索了仿生机器鱼的前进速度与尾鳍摆角、摆动频率、摆动幅度之间的关系.     

仿生机器鱼研究的进展与分析

介绍了仿生机器鱼具有效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的特点和几种分类方法, 以及国内外在鱼类推进机理和仿生机器鱼研制方面的成果和现状, 在此基础上分析了机器鱼研究的主要内容: 鱼类推进理论模型、仿生机器鱼机械结构、仿生机器鱼游动的推进速度、运动方程、Q效率、Q功率等方面的客观规律, 特别是其控制性能和相关技术问题.     

基于舵机控制的仿生鱼设计

为实现仿生机器鱼的设计,分析鱼类游动的特点,基于舵机的工作原理,提出了自主避障的仿生鱼设计方案。根据鱼类推进理论,对仿生鱼进行了机械结构设计、软件设计。     

基于PPO算法的仿生鱼循迹智能控制

仿生鱼具有广阔的工程应用前景,对于仿生鱼的控制,首先要解决的是循迹问题.然而,现有的基于CFD方式和传统控制算法的鱼游控制方法存在训练数据获取成本高、控制不稳定等缺点.本文提出了基于PPO算法的仿生鱼循迹智能控制方法:使用代理模型替代CFD方式产生训练数据,提高数据的产生效率;引入高效的PPO算法,加快策略模型的学习速度,提高训练数据的效用;引入速度参数,解决鱼体在急转弯区域无法顺利循迹的问题.实验表明,我们提出的方法在多种类型的路径上均具有更快的收敛速度和更加稳定的控制能力,在仿生机器鱼的智能控制方面具有重要的指导意义.     

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.     

Optimal design and motion control of biomimetic robotic fish

This paper is concerned with the design, optimization, and motion control of a radiocontrolled, multi-link, free-swimming biomimetic robotic fish based on an optimized kinematic and dynamic model of fish swimming. The performance of the robotic fish is determined by both the fish＇s morphological characteristics and kinematic parameters. By applying ichthyologic theories of propulsion, a design framework that takes into consideration both mechatronic constraints in physical realization and feasibility of control methods is presented, under which a multiple linked robotic fish that integrates both the carangiform and anguilliform swimming modes can be easily developed. Taking account of both theoretic hydrodynamic issues and practical problems in engineering realization, the optimal link-lengthratios are numerically calculated by an improved constrained cyclic variable method, which are successfully applied to a series of real robotic fishes. The rhythmic movements of swimming are driven by a central pattern generator （CPG） based on nonlinear oscillations, and up-and-down motion by regulating the rotating angle of pectoral fins. The experimental results verify that the presented scheme and method are effective in design and implementation.     

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.     

A 3D simulator for autonomous robotic fish

This paper presents a 3D simulator used for studying the motion control and autonomous navigation of robotic fish. The simulator's system structure and computation flow are presented. Simplified kinematics and hydrodynamics models for a virtual robotic fish are proposed. Many other object models are created for water, obstacles, sonar sensors and a swimming pool. Experimental results show that the simulator provides a, realistic and convenient way to develop autonomous navigation algorithms for robotic fish.     

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.     

Experimental and analytical study on factors influencing biomimetic undulating fin propulsion performance based on orthogonal experimental design

This paper presents an experimental study on the structural and motion parameters of a biomimetic mechanical fin, as actuators for biomimetic underwater vehicles, and their influences on its propulsion performance. Orthogonal experimental design method is employed to optimize the test scheme due to its capability of reducing experiment time and rapid determination of influencing factors. A L64 orthogonal array is adopted in our seven-factor mixed factorial experiment with three structure parameters and four motion parameters. The experimental results of range analysis and variance analysis are discussed. The statistic results show that the fin-ray configuration, sway frequency, wave number, and rigidity of membrane are the primary factors affecting the integrated propelling performance of the biomimetic mechanical fin. Optimizing these parameters needs to compromise the propelling speed, efficiency, and maximum output power of the actuator. The analytic results are also in agreement with theoretical analysis and simulation study on inclined angle of fish fin-ray. Consequently, proper modification of the inclined angle of the fin-ray might improve not only the propelling speed and acceleration but also the propelling efficiency.     

一种仿生机器鱼游动控制的研究

针对现有仿生机器鱼水中碰撞响应处理较困难的问题,提出一种空间群体机器鱼的规划算法,群体中相近的机器鱼形成网络,互相共享环境和目标信息.而在该网络中的机器鱼路径规划采用集中式规划.从整体上来看全部的机器鱼路径规划方法采用集中式规划,但网络之间采用分布式规划方法.通过在仿真平台上的测试,仿真稳定可靠,达到预期设计目标.     

机器鱼在线功率检测系统设计与实现

水下仿生机器鱼由于其高效而灵活的水下运动而受到广泛关注.至今,人们对于水下机器人的研究主要集中在运动仿生以及动力学机理解释等方面,对于机器鱼的运动中的实时功率消耗研究还几乎空白.其中一个主要原因是水下机器人的功率消耗不能直接实时获得,因而提出了一个实时在线高速功率测量系统,通过该系统能够实现5000S/s的采样速率,获得精确的机器鱼在水中运动下的实时功率,从而为后期提高机器鱼游动效率的研究做基础铺垫.一系列实验证明了其对水下机器人的实时效率检测的有效性.此外,实现对机器鱼的功耗评估能够更好地为设计节能型水下航行器提供有力的指南.