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.     

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。     

基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人设计与实现

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,主要研究其设计与实现问题．首先,介绍了仿生水下机器人试验模型的设计原则及其系统总体结构,然后重点研究了仿生柔性长鳍、主控模块与通讯系统、运动控制子系统的设计方法、系统构成和工作原理,最后介绍了试验模型的系统测试与航行试验结果及其结论,并指出了仿生水下机器人试验模型的改进重点和柔性长鳍波动推进技术今后的研究方向．基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型的研制成功,初步验证了柔性长鳍波动推进方式应用于水下机器人推进控制系统在原理上和技术上是可行的．     

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.     

CAN总线在波动仿生推进器中的应用

波动仿生推进器是一种依据鱼类仿生学原理设计的新型水下推进器。控制器局域网(ControllerAreaNetwork,即CAN总线)是一种能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制的串行通信协议。基于波动仿生推进器内部环境及多电机独立控制结构的特点,采用CAN总线来构建波动仿生推进器内部的通信网络。文章对CAN总线在波动仿生推进器上的应用方案进行了系统阐述,提出了具体的软硬件解决方案,并对其中的一些关键点进行了说明。此外,对波动仿生推进器的波动控制技术,即多电机的协调控制方法也作了相应论述。     

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.     

仿鱼柔性长鳍波动运动分析与建模

研究了弓鳍目鱼“尼罗河魔鬼”的柔性波动长背鳍.针对波动长鳍大的柔性变形特征,提出了由N根刚性鳍条依靠柔性薄膜连接组成的柔性波动长鳍简化模型;在分析长背鳍运动和流固耦合的基础上,建立了柔性波动长鳍的运动学模型;进而,从弹性薄壳理论出发,考虑柔性长鳍结构的几何非线性,并引入无矩薄壳理论的假定,建立了柔性长鳍波动的平衡方程.依据所建立的运动学模型和柔性长鳍波动的平衡方程,可以进一步解析柔性长鳍波动运动的动力学性能.     

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。     

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.     

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.     

仿生机器鱼胸/尾鳍协同推进闭环深度控制

为改善机器鱼定深控制过程中的动态性能与稳态性能,根据深度误差的大小将定深控制过程分解为趋近阶段与巡游阶段,给出了一种基于中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)与模糊控制相结合的闭环运动控制方法.为此,首先建立了以压力传感器信号为反馈输入,通过模糊控制器调节控制参数的CPG运动控制模型.在此基础上,针对误差较大的趋近阶段,采用胸/尾鳍协同方式,通过趋近模糊控制器改变摇翼关节的偏置量与幅值来使机器鱼快速到达期望深度;针对误差较小的巡游阶段,采用改变攻角方式,通过巡游模糊控制器改变胸鳍攻角来使机器鱼保持在期望深度.两阶段之间通过胸鳍CPG的启停实现切换.模糊控制器设计时利用了基于最小二乘法对实验数据拟合而得出的俯仰角变化率与控制参数的近似关系,提高了机器鱼趋向期望深度的速度并减小了在期望深度巡游时的稳态误差.仿真与实验结果验证了所提控制方法的有效性.     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理．为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差．给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态．最后,通过实验验证了理论推导的正确性．     

基于模糊控制的仿生机器鱼转向控制研究

针对一类微小型仿生机器鱼的转向控制问题,结合其自身运动的特点,提出一种基于模糊控制的转向控制算法.根据实验室经验建立模糊控制规则,运用Mamdani推理,构造出控制响应表.通过避障问题对算法进行验证,仿真结果表明,该方法对机器鱼的转向控制有效,可行且能满足实时性的要求.     

仿生“蚯蚓”机器人的SMA 执行器实现

虽然从生物学角度来说,蚯蚓的波浪式运动机制已经相当清楚,但在小尺寸下人工蚯蚓的实现仍然是极具挑战性的工作.采用记忆合金材料(SMA),设计实现了用于仿生蚯蚓机器人的执行器,并通过该执行器的动作循环模仿,实现了蚯蚓的波浪式运动.实现的人工蚯蚓共有四单元,每一单元都有可独立驱动的执行器.执行器由一根或三根SMA弹簧构成,其波动式运动的最高频率为0.6 Hz.每一单元人工蚯蚓,都被覆特定形状的软硅胶皮,该硅胶皮提供了SMA执行器的对抗力,同时也是安装微型腿的平台,从而进一步提高了人工蚯蚓的运动效率.初步的测试显示该执行器工作有效,人工蚯蚓的运动速度可达2.5mm/s,与真实的蚯蚓运动速度相近.     

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．     

仿生机器鱼的设计及其运动控制研究

本文基于简化的鲹科鱼类的运动学模型,采用多关节的驱动方式和一种多电机的角度控制算法对机器鱼进行运动控制,并通过实验得到了验证,同时,为机器鱼设计了传感器网络,并运用智能避障的方法,使机器鱼具备一定的自主能力。     

约束条件下的舵鳍联合减摇控制研究

舵鳍联合减摇是一种新型减摇方法。在已有研究文献的基础上,基于输入输出线性化的鲁棒控制器设计方法,针对某集装箱船设计舵鳍联合减摇控制器,并重点研究舵速、鳍速限制对减摇效果与航向保持效果的影响,探讨舵速与鳍速之间的制约关系。仿真结果表明鳍速越低、舵速越高则减摇效果越好,但舵速、鳍速均有一上限值,超过上限值后,舵速、鳍速变化对减摇效果及航向保持效果的进一步改善不再明显。