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。     

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。     

水下仿生机器鱼的研究进展III——水动力学实验研究

作为仿生推进技术研究的一个主要环节 ,仿生机器鱼平台的实验测试研究具有重要的意义 .本文建立了一套比较系统完整的机器鱼水动力学定性观察 ,定量测量的实验环境 ,并进行了速度功率参数影响测定实验、鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验 .     

水下仿生机器鱼的研究进展III——水动力学实验研究

作为仿生推进技术研究的一个主要环节，仿生机器鱼平台的实验测试研究具有重要的 意义．本文建立了一套比较系统完整的机器鱼水动力学定性观察，定量测量的实验环境，并 进行了速度功率参数影响测定实验、鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验．     

仿生机器鱼艏向摆动动力学仿真及分析

由尾鳍拍动产生侧向力导致的机器鱼的艏摇能够影响航行器的推进效率。该文首次运用Adamas软件埘北京航空航天大学机器人研究所“SPC—Ⅱ”仿生机器鱼进行了尾鳍受力分析和动力学仿真。从鱼体和尾鳍推进机构质阜比、拍动频率以及对尾鳍攻角的影响三个方面对仿真结果进行了分析,得出以下结论：随着鱼体和尾鳍推进机构质量比的增大以及频率的增大。艏摇不断减小;鱼体和尾鳍推进机构质量比小于78,没有出现共振现象;艏摇的存在会明显的衰减尾柄主臂和尾鳍攻角的角位移。     

水中机器鱼仿真系统中的伪3D绘制

关于水中机器鱼仿真系统设计问题,在二维仿真平台上,绘制具有碰撞特性和三维动态视觉效果的物体的技术实现比较难.因此,可结合仿真机器鱼比赛采用的2D仿真平台,提出鱼体关节的柔性体线建模和尾鳍相位变换等设计思想,采用GDI+技术,修复了平台原有的刚体建模导致的碰撞处理漏洞,为机器鱼仿真搭设了物理层映射到界面层的桥梁,有效减少了鱼体碰撞的穿越现象.实验证明,改进方法在实现三维效果方面可为水中机器鱼仿真系统优化提供支持.     

基于二分图最大匹配的多机器鱼可控包含控制

考虑水下机器鱼的运动学约束及包含控制中的领导者选择问题,将可控性理论与包含控制相结合,针对有向多机器鱼系统,提出一种基于二分图最大匹配的多机器鱼可控包含控制算法.首先,针对有向多机器鱼网络拓扑结构,利用二分图最大匹配算法求得满足系统可控的驱动节点,即为领导者,其余节点为跟随者;其次,针对2D仿真机器鱼模型设计相应的包含控制协议,从而实现多机器鱼的可控包含控制,且最终跟随者鱼体前端刚体长边方向与领导者保持一致,并应用Lyapunov稳定性理论证明系统的稳定性;最后,基于URWPGSim2D多机器鱼仿真平台进行两组仿真实验,一组随机选取领导者,另一组采用二分图最大匹配算法确定领导者,对比仿真结果表明,所提算法能够有效地实现多机器鱼的可控包含控制.     

仿生机器鱼运动控制方法综述

运动控制是仿生机器鱼研究的核心问题,为此,依据解决运动控制问题的不同思路,总结了仿生机器鱼运动控制常见的几种研究方法:基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法、正弦控制器方法和基于中枢模式发生器模型的方法,分别对3种运动控制方法的基本原理和特点进行了总结和归纳,分析了3种方法在可靠性、稳定性和实时性等方面的优缺点,最后指出了仿生机器鱼运动控制方法的发展趋势。     

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．     

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.     

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。     

胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析

作为一种新颖的应用于仿生机器鱼制作的推进模式,胸鳍摆动推进模式因其具有的独特优势而引起国内外科研人员的重视。本文系统介绍了国内外采用摆动胸鳍推进的仿生鱼的研究现状,重点分析了此类仿生鱼样机的结构特征和推进性能。通过对现有研究成果的分析,得出了胸鳍摆动推进式仿生的研究发展趋势。     

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.     

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.     

仿生机器鱼S形起动的控制与实现

给出一种仿生机器鱼S形起动的控制方法.结合北美狗鱼S形起动的形态特征及水动力学知识, 建立了多关节链式结构仿生机器鱼的S形起动模型.整个过程设计为两个阶段: 1)弯曲阶段:以转向速度最大化为目标.在鱼体S形变保证重心稳定平移的前提下, 增大较长转向力臂处的转向力矩,提高转向速度,使鱼体迅速转向目标方向. 2)伸展阶段:以增大前推力为目标.始终保持部分将要伸展的鱼体垂直前进方向,以L形滑动方式打开鱼体. 同时,为保证转向精度,采用模糊控制调节已展开鱼体关节的小角度转动,实时纠正鱼体展开所引起的游动方向偏离. 在S形起动末期,采用变幅值——频率的中枢模式发生器(Central pattern generator, CPG)实现向稳态游动方式的过渡:前期为保证游动方向及获取较大推进力,采用小幅值——高频率的CPG信号, 后期则进入大幅值——低频率的稳态游动.最终,采用四关节仿生机器鱼验证了该方法的有效性, 实现了峰值转速为318.08±9.20°/s、转向误差为1.03±0.48°的较好结果, 对提升水下游动机器人的机动性能具有指导意义.     

基于机器鱼的违规排污口定位方法

为解决违规排污口的侦测和定位的问题,本文使用机器鱼作为传感器的城体对违规排污口排放的污染物质进行检测分析,结合污染物的扩散模型对污染物浓度场进行分析并对排污阴进行定位。论文对违规排污侦测机器鱼所需的功能进行了分析,并根据分析结果对机器鱼的机械机构和内部电路结构进行设计,使用机器鱼结合污染物的扩散模型的方法设计出违规排污口的追踪定位方法,并对机器鱼和追踪算法进行实际测试,通过实际测试表明了设计的正确性。     

机器鱼控制及水球比赛中的若干问题探索

本文以机器鱼和机器鱼控制系统的基本理论研究为基础,结合对机器鱼的实际操作控制和策略研究中遇到的实际问题,通过对水球比赛的经验教训的总结,提出对机器鱼和协作控制系统等相关问题的一些认识和解决办法。     

水下仿生机器鱼的研究进展I——鱼类推进机理

仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一 ,它为研制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路 .本文以鱼的脊椎曲线为研究对象 ,提出了一种新的鱼类推进机理——波动推进 ,分析了波动推进过程中的运动阻力 .通过鱼类游动观测实验和仿生机器鳗鱼的研制 ,验证了该理论的有效性     

基于机器视觉的大黄鱼形态参数快速检测方法

大黄鱼形态参数测量对大黄鱼养殖遗传选育和品质改良等具有重要意义。文章结合机器视觉和称重传感器技术,设计开发了一种大黄鱼体重、体长和体宽等外部形态多参数同步自动检测系统。该系统通过机器视觉自动检测鱼体外部形态参数,通过称重传感器自动获取鱼重量参数。实验结果表明,系统的尺寸测量平均误差为0.28%,鱼重测量平均误差为0.74%,可以满足大黄鱼形态参数测量精度要求,为鱼类形态参数自动检测提供了一种有效的新途径。     

专题报道：机器鱼水球赛技巧与技术——基于角度和加速度传感器的仿生机器鱼自我定位技术研究

本文分析角度传感器和加速度传感器的技术特点,总结欧拉角法、方向余弦法,四元数法三种常用坐标换算方法,对机器鱼实现自我定位、获得自身位置信息（游速,游向、游动距离、深度等）和姿态信息（鱼头仰角、鱼体转角等）的可行性进行论证,研究了在机器鱼水球比赛环境中,传感器的安装、校准、数据计算以及信息记录的