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。     

用于避障研究的微型仿生机器鱼3维仿真系统

基于VC++6.0开发环境和OpenGL（open graphics library）国际图形标准,在Windows系统下开发了微型仿生机器鱼3维仿真系统。该系统可以降低用实体机器鱼进行机器鱼避障能力研究的成本和减少在研究过程中对实体机器鱼造成的损害。采用多边形建模的方法构建了虚拟微型仿生机器鱼模型,模拟了鱼类尾鳍的摆动。提出了一种模拟红外传感器探测障碍物的虚拟射线方法。并采用实时模糊决策算法设计了基于多传感器信息的复合模糊控制器,决策微型仿生机器鱼的避障行为。仿真实验表明,复合模糊控制器实时性好、效率高;无论是单个任意形状的障碍物还是多个连续障碍物,复合模糊控制器都能有效地引导仿生机器鱼避开障碍物,到达目标点。微型仿生机器鱼3维仿真系统为研究仿生机器鱼的自主避障能力提供了可靠、逼真、便利的平台。     

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.     

多仿生机器鱼控制与协调

仿生机器鱼是包含水动力学控制和机器人技术的多学科问题。本文从机器鱼的运动学模型人手，解决运动控制问题；以实时视觉信息处理技术为前提，为多鱼协调定位提供位姿信息；基于行为选择机制的协作策略，为机器鱼的任务级协作打下基础；最后，将所有算法集成到我们开发的多仿生机器鱼协调系统(Multiple Robot Fishes corrdinate System,MRFS)上。     

微小型仿生机器鱼设计与实时路径规划

提出一种结构紧凑, 运动灵活, 装配多传感器, 可自主游动的微小型仿生机器鱼系统设计方案. 在仿鲹科加月牙尾模式鱼类运动研究的基础上, 给出了微小型机器鱼推进、转弯等运动的控制方法. 结合运动控制和传感器信息处理, 给出了基于红外传感器的自主避障算法和基于光敏传感器的主动趋光算法, 进而提出了基于这两种传感器信息感知的动态光源跟踪方法. 通过实验, 给出了机器鱼尾部摆动频率、幅度和运动速度之间的关系, 验证了机器鱼追踪动态光源算法, 表明了本文所提系统设计方案和算法的有效性.     

基于CPG模型的仿生机器鱼运动控制

仿生机器鱼的研究已经成为一个富有挑战性的热点问题.为了控制机器鱼自身的运动和姿态,本文研究了胸鳍对机器鱼运动的影响,并且基于CPG模型,提出了一种运动控制方法.采用的控制模型由4个振荡器构成,可根据反馈的信息产生节律信号以控制机器鱼胸鳍和尾鳍的运动.根据CPG模型参数与反馈输入之间的关系,设计了机器鱼俯仰和转弯反馈控制方法,利用反馈的信息自主调节CPG参数,达到控制胸鳍运动模式的目的.仿真实验验证了控制模型和反馈策略的有效性.     

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.     

水下仿生机器鱼的研究进展Ⅳ——多仿生机器鱼协调控制研究

本文探讨了多仿生机器鱼群体游动协调的问题,这是仿生机器鱼技术研究的一个新的方向,目前尚无人涉足.首先研制了一套具有高效、高机动性的微小型多机器鱼平台,提出了基于AGENT的网格算法进行多机器鱼的定位和协调控制,利用该实验平台,进行了多机器鱼对抗和多机器鱼协调过孔的实验研究.     

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.     

水下仿生机器鱼的研究进展IV——多仿生机器鱼协调控制研究

本文探讨了多仿生机器鱼群体游动协调的问题，这是仿生机器鱼技术研究的一个新的 方向，目前尚无人涉足．首先研制了一套具有高效、高机动性的微小型多机器鱼平台，提出 了基于AGENT的网格算法进行多机器鱼的定位和协调控制，利用该实验平台，进行了多机器 鱼对抗和多机器鱼协调过孔的实验研究．     

胸鳍推进型机器鱼的CPG 控制及实现

结合仿生游动机理,针对胸鳍推进型机器鱼提出了一种基于中枢模式发生器（CPG）的运动控制方法． 该模型采用一类振荡频率和幅值可以独立控制的非线性微分方程作为其神经元振荡器模型,通过最近相邻耦合的方 式,对n 个这样的神经元振荡器进行耦合,构建了仿生机器鱼的CPG 网络模型．证明了此模型单个神经元振荡器的 极限环的存在性、唯一性及稳定性．在此基础上,通过对胸鳍推进的运动学分析,导出机器人直游、倒游、胸鳍—尾 鳍协调运动等多种模式的运动控制方法．仿真及实验结果验证了此中枢模式发生器模型的可行性与所提控制方法的 有效性．     

基于滑模方法的机器鱼运动控制

本文分析机器鱼的运动特点,以及水环境的复杂性,研究机器鱼的运动控制问题。为更好地研究机器鱼的控制方法,通过建立机器鱼的模型以及水波动力学模型的方法设计仿真控制平台,并且选择含有等效控制设计以及矫正控制设计两个阶段的滑模方法,作为机器鱼的运动控制方法。在实验中,滑模方法设计的控制规律同时控制实际机器鱼以及仿真平台中的机器鱼仿真模型,并证明运动控制方法的有效性以及该仿真平台的有效性。     

水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制

本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼 .该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力学性能的实验平台 ,具有刚性头部、5关节的柔性身体和月牙形尾鳍 ,采用无线遥控 .机器鱼体长 890 mm,水中最大速度为 2 0 cm/s,最大转弯角速度为 12 0°/ s,最小转弯半径为 4 0 cm.综合性能测试实验和 C形运动控制实验表明 ,该机器鱼具有较好的游动性能和较高的机动性能     

水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制

本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼．该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力 学性能的实验平台，具有刚性头部、5关节的柔性身体和月牙形尾鳍，采用无线遥控．机器 鱼体长890mm，水中最大速度为20cm/s，最大转弯角速度为120°/s,最小转弯半径为40cm． 综合性能测试实验和C形运动控制实验表明，该机器鱼具有较好的游动性能和较高的机动性 能．     

基于边缘检测的图像分割方法及其在机器鱼中的应用

针对仿生机器鱼在目标识别、追踪任务中的需求,结合基于阈值的图像分割算法和基于Sobel算子的边缘检测技术,给出了一种基于目标图像阈值自适应调整策略的图像分割方法．克服了基于固定阈值的图像分割算法不能适应环境光照变化的缺点．该方法应用于仿生机器鱼的水下目标识别任务中,实验结果表明了该方法是有效的．     

基于模糊自适应串级PID控制器的仿生机器鱼位姿控制

为提高仿生机器鱼位姿的控制精度,针对串级PID控制器中固定的内环比例、积分、微分系数不能较好地适用于仿生机器鱼所面临的复杂水环境,且控制参数整定难度大等问题进行了研究。首先,在串级PID控制器的仿生机器鱼位姿控制的基础上,利用模糊控制实时调整串级PID控制器中内环的控制参数,提出基于模糊自适应串级PID控制器的仿生机器鱼位姿控制算法。然后,在多水下机器人协作控制系统平台下进行对比实验。实验结果表明,与串级PID控制器相比,模糊自适应串级PID控制器减少了仿生机器鱼到达目标位姿的时间,降低了位姿误差,验证了算法的有效性。     

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.     

基于二阶一致性算法的多仿生机器鱼分布式编队控制

针对动态领航者按照自身动力学模型运动, 多个跟随者机器鱼以其为编队参考点, 根据编队要求形成队形并整体跟随领航者运动的问题, 提出一种多仿生机器鱼分布式编队控制方案. 首先, 基于二阶一致性算法给出各跟随者机器鱼估计领航者位姿信息的分布式算法;其次,给出以领航者为参考点的多仿生机器鱼编队描述方法,进而各机器鱼根据编队要求以所估得的参考点信息实时确定其在编队中的期望位姿; 再次, 各跟随者机器鱼以期望速度和角速度以及所估得的领航者位姿信息为输入, 利用模糊控制器确定其速度档位和方向档位, 实现编队的形成与保持. 仿真和实验结果均表明, 所提分布式编队控制方法是有效的, 仿生机器鱼群体能够较快形成期望队形并跟随领航者游动.     

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。     

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.