胸鳍推进机器鱼俯仰稳定性分析

胸鳍推进机器鱼的胸鳍在通过扑动产生推力的同时,也会产生纵向扰动,引起机身的俯仰运动,对应用产生一系列的影响.本文在传统潜艇稳定性概念的基础上建立了胸鳍推进机器鱼的俯仰稳定性模型,证明了机器鱼的俯仰运动系统是一个二阶线性系统;分析了由胸鳍扑动引入的扰动,证明其中包含常量分量、扑动频率的一倍频分量和二倍频分量.最后进行了样机的游动实验,实验结果间接证明了俯仰运动模型和胸鳍扑动扰动模型的正确性.     

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.     

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。     

一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼设计与实现

首先研究了牛鼻鲼的形态学特点,对牛鼻鲼的运动学特性进行了观测,并进行了运动学建模;然后基于“结构相似”的原理,研制出一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼——“牛鼻鲼—I”．该机器鱼被设计成扁平形,由主体和胸鳍两部分组成,无尾鞭,主体为刚性,三角形胸鳍为弹性．整个机器鱼总质量为1kg,弦长300mm,最大展宽为500mm．机器鱼通过8个左右对称的伺服电机按照一定的相位差驱动刚性鳍条,在胸鳍上实现了0.4个波长的正弦推进波．在水箱实验中,当左右胸鳍同向运动时,机器鱼达到了0.13m/s的前进速度和0.15m/s的后退速度;当左右胸鳍反向运动时,机器鱼在约8s内完成了原地360转弯,表现出优良的机动性．     

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.     

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。     

仿生机器鱼平台研究

本项目综合运用机械设计、电子电路、控制理论、波动推进理论、微处理器技术、传感器技术以及无线通信技术等多学科知识,基于ATMEL公司AVR系列单片机（ATmega128）,采用模块化设计,研制出一款密封性良好的具有尾部推进模块、升潜控制模块、自主避障模块、无线遥控模块、超声波测距模块、图像识别模块的波动推进式两关节仿生机器鱼水下作业平台,并对其直线推进、转弯、升潜、自主避障、无线控制功能进行了水下试验。论文从机械结构、外围电路、控制电路、核心功能实现四个主要方面进行论述。     

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.     

一种仿生机器鱼的水平面路径跟踪控制研究

仿生机器鱼具有高机动、高隐蔽、高效率、低噪音的特点,能在军事战略和水下探测中发挥重要作用。面对复杂多变的水下环境以及不确定因素的影响,自抗扰控制器（ADRC）可以自动补偿被控对象的内扰与外扰,提高机器鱼路径跟踪的控制精度和稳定性。首先建立多关节机器鱼数学模型,并通过机器鱼路径跟踪误差模型得到其误差方程,最后基于ADRC控制器实现相关参数的收敛,仿真成果证实所设计控制器具有较高的精确度和较强的鲁棒性。     

仿生机器鱼运动控制算法研究

footnotesize A practical motion control strategy for a radio-controlled, 4-link and free-swimming biomimetic robot fish is presented. Based on control performance of the fish the fish's motion control task is decomposed into on-line speed control and orientation control. The speed control algorithm is implemented by using piecewise control, and orientation control is realized by fuzzy logic. Combining with step control and fuzzy control, a point-to-point (PTP) control algorithm is proposed and applied to the closed-loop experimental system that uses a vision-based position sensing subsystem to provide feedback. Experiments confirm the reliability and effectiveness of the presented algorithms.     

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.     

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．     

一种基于视觉的仿生机器鱼实时避障综合方法

提出了一种基于视觉的仿生机器鱼实时避障综合方法,该方法基于HIS颜色模型,利用MMX指令和SSE指令,采用并行处理算法实现图像的快速处理;然后,基于栅格法建立环境模型,利用势场法获得优化路径规划策略,在此基础上,采用模糊方法对机器鱼的运动方向进行控制,利用速度分布函数对机器鱼的运动速度进行控制,实验结果表明了所提方法的有效性和可达性。     

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。     

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.     

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.     

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．     

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