柔性长鳍波动推进仿生水下机器人控制系统设计与实现

论文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,主要研究其控制系统总体结构、硬件和软件的设计与实现问题。控制系统设计为主从结构,主从模块间通过CAN总线进行通讯。主控模块采用遥控与程控两种工作模式,并通过遥控指令实现模式切换。试验模型的推进、俯仰与转向控制由仿生柔性长鳍、重心调节模块和2自由度“十”字形尾舵3个控制子模块实现,各控制子模块设计为闭环伺服控制系统。系统综合测试和试验模型航行试验结果表明,论文设计实现的控制系统主从模块间通讯顺畅,功能协调,性能可靠,实现了设计功能并达到了预期的目标。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

基于CPG的仿生环形长鳍波动推进器运动控制

为了克服一般仿生水下机器人稳定性与机动性的不足,提出一种仿生环形长鳍波动推进器及其控制方法.根据环形长鳍波动推进器的结构特征和推进机理,提出了基于中枢模式发生器(CPG)的运动控制方法.该方法通过相邻耦合的方式,对波动推进器中20个频率和幅值可独立控制的神经元振荡器进行了建模,构建了一种用于该推进器的CPG网络模型.仿真分析了对称波形、非对称波形和环形波形推进控制方式下控制模型中的各振荡子输出信号,以及各参数对输出信号的影响,并试验研究了波形参数对样机游动速度和转弯速度的影响.试验结果显示样机具有一定的稳定性与机动性,直线游动速度和原地转弯速度随波动频率和波动幅值的增大而增大,最大直线游动速度可达109 mm/s,最大原地转弯速度可达93?/s.仿真及试验结果证明了此CPG控制模型的可行性和有效性.     

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．     

新型仿生水下子母机器人系统设计

传统的水下子母机器人在水下作业时母机器人会有噪音大、体积大和隐蔽性差的缺点,而且子机器人作为提高水下机器人位置精度和续航时间的重要手段大多采用尾部摆动、机身两侧划水、小型螺旋桨推进等方式,造成运动过程中稳定性差、噪音大而且尺寸难以微型化的缺点.为了克服这些不足,设计一种新型仿生水下子母机器人系统.该系统球形母机器人采用喷水电机进行喷水推进,减少噪音,增加隐蔽性,并为微型子机器人提供控制信号和能源.微型子机器人以樽海鞘为原型基于仿生原理设计,在水下运动透明度高、隐蔽性强、稳定性高.建立球形母机器人的喷水推进器和微型子机器人的微型驱动器的驱动力计算模型,同时建立微型子机器人的水下转向模型.最后制作子母机器人样机并进行子母机器人的水下运动实验,以验证所设计的子母机器人系统的有效性.     

基于功能材料的柔性多关节水下仿鱼形推进器设计及分析

分析了当前的智能材料用于仿鱼类肌肉组织的可行性．设计了四关节柔性水下仿鱼形推进器,给出了控制流程图,建立了运动学方程．深入地分析了仿鱼形推进器存在的游动不稳现象及其产生原因,并给出几种提高稳定性的方案．分别测试了迎水面形状对称与否、有无附加鳍以及附加鳍位置对稳定性的影响．最后,通过比较实验证明了此方案对提高柔性多关节水下仿鱼形推进器的游动稳定性是可行的．     

基于仿脊髓网络的咽颌模式仿生胸鳍协调控制

根据所研制的咽颌模式仿生胸鳍的结构和驱动特点以及操纵运动的特征,构建了咽颌模式仿生胸鳍的仿脊髓控制网络.首先,根据咽颌模式推进时左右胸鳍的协调运动特点,构建左右仿生胸鳍仿脊髓控制网络之间的拓扑连接关系,实现左右仿生胸鳍的协调控制.然后,利用Matlab对仿脊髓控制网络在咽颌模式仿生胸鳍推进运动形态产生和左右胸鳍协调控制方面的性能进行仿真分析,并对比仿真结果与观测结果,发现两者非常吻合,从而证明了所构建的咽颌模式仿生胸鳍的结构和驱动方式及其仿脊髓控制网络是合理的,能够反映硬骨鱼胸鳍的操控机理,并且左右胸鳍的协调控制也具有较好的仿生性能.这些研究为高性能咽颌模式推进系统的研制、咽颌模式推进机理和神经肌肉控制机理等方面的研究提供了基础.     

柔性长鳍仿生水下推进器测控系统的设计与实现

针对新型柔性长鳍仿生推进器试验装置的控制节点多、实时性强、传感数据量大的要求,设计并实现了基于CAN总线的多层分布式测控系统;对测控系统的分层结构、硬件构成和软件设计进行了详细分析,上层进行推进器运动参数设定和状态信息采集,中层通过CAN总线对分布在推进器各个仿生关节的一组控制节点进行实时控制,底层每个仿生关节采用伺服电机和单片机构成相互独立的控制节点;该系统已经投入使用,试验过程表明,该系统具有数据采集速率高、控制实时性强、操作简便等特点,完全满足仿生推进器试验装置的测控需求.     

仿生波动长鳍运动学建模及算法研究

长鳍波动推进鱼类在稳定性、机动性、低速下状态保持等方面较其它鱼类有着显著优势.本文将鱼类波动 长鳍抽象为零厚度理想波动而,引入直纹面建立曲线坐标意义下波动长鳍的运动学模型,描述了长鳍波动推进时的 非等幅波动、非对称波形等运动特征.面向理论分析和数值模拟,进一步扩充直纹面模型,使之满足弯曲基线、非零 厚度等长鳍形态及运动特征,进而建立筲卡尔坐标系下的长鳍波动描述方程,相应地,设计了鱼类长鳍波动推进的 运动描述算法.根据给定形体和运动参数,对零厚度理想波动板和弓鳍目"尼罗河魔鬼"鱼进行运动学仿真,验证 了运动学模型及运动描述算法的有效性.     

Design Optimization of a Bionic Fish with Multi-Joint Fin Rays

This paper aims to design a novel bionic fish propelled by oscillating paired pectoral fins. Flapping motion deformation of the nature sample, the cow-nosed ray, is realized with simple mechanical structure through optimization. Locomotion analysis of the nature sample under linear cruise swimming conditions is carried out. Simplified mathematical models of the pectoral fin are obtained to be the design foundation of the bionic fin rays and the bionic fish. The number of fin rays is decided according to the passing kinematic wave shape and number. Distance and structure parameters are optimized, and determined by the minimum area error method. A novel two-stage slide–rocker mechanism is designed to fulfill the driving requirements with only one servo motor. System design of a new bionic fish robot is presented, including the mechanical design and the control method. Main bionic characteristics extracted from the cow-nosed ray are fulfilled by the prototype and verified by experiments.     

水下涡轮发动机推进系统闭环控制设计

水下航行器涡轮发动力推进系统在偏离设计工况时敏感性大,因而对涡轮机动力系统实施转速闭环控制具有重要意义;从系统物理特性、可实现性出发,通过分析涡轮机动力系统工作机理,建立了适用于系统特性和控制律综合的系统数学模型,利用燃料泵排量闭环控制的控制方法,获得了针对工质秒耗量的控制律,完成了涡轮机推进系统闭环控制设计;仿真计算结果表明,控制方法能够较好地兼顾系统的运行效率和平稳性,且在整个工况变动范围内控制律满足设计指标要求。     

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.