计算流体力学方法在仿生机器鱼中的应用研究进展

计算流体力学是研究仿生机器鱼水动力特性的重要数值模拟方法,已在仿生学及海洋学等众多领域得到广泛应用。本文利用CNKI中文数据库及Web of Science核心合集数据库分别检索到201篇中文文献和146篇英文文献,运用Cite Space软件的文献计量学分析方法,对文献类型、期刊分布、发文量趋势、作者、研究机构和高被引文献进行了系统分析,并结合关键词网络知识图谱、关键词聚类图谱,探讨了计算流体力学在仿生机器鱼领域中的应用研究热点。结果表明:仿生机器鱼领域中外文献发文量呈现逐年上升趋势,且仿生类期刊及文献具有较高的影响因子与被引频次;研究学科领域涉及工程学、机器人学、力学与材料科学等多个交叉性学科;该领域内研究热点与重点方向为动力学模型、三维流场仿真、设计与制作。针对现有研究的不足,建议未来研究应深入探讨水生生物集群运动仿真、鱼类侧线感知机制和仿生机器鱼水动力试验,以期促进多学科融合,为仿生机器鱼的发展提供科学参考。

尾鳍驱动仿生机器鱼的CPG控制

随着人们对海洋资源关注度的增加,对仿生机器鱼的游动性能提出更高要求,为了使机器鱼游动更贴近真实鱼的游动效果,根据Light Hill的大摆幅细长体理论的鱼体波曲线对水下仿生机器鱼的游动模式进行了研究,并采用HOPF神经元振荡器模型建立非线性振荡器模型,运用最近相邻耦合关系构建了CPG控制网络拓扑图,建立了CPG控制模型,通过调节CPG控制参数实现了机器鱼多运动模态的控制与切换。针对鲹科仿生机器鱼的游动方式进行SolidWorks三维建模,在ADAMS中进行运动仿真,并搭建实体样机。实验结果表明,采用基于HOPF的链式耦合中枢模式发生器对舵机的驱动进行控制,机器鱼尾鳍的摆动具有很好的运动柔顺性,易于实现运动模态平滑切换,游动更加灵活。这为机器鱼在海洋执行更复杂任务的研究打下了坚实基础。

仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能胸鳍结构设计与实验

现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点,特别是前向游动稳定性,但倒游性能研究不足,因此文中针对性地讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能。分别设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构,通过对比实验测试验证了分体胸鳍结构较完整胸鳍结构倒游推力的优越性,通过推力和电流的比值进一步分析能耗转化效率。实验研究了前游和倒游推力与幅值和频率变化之间的关系,并且通过采集的电流数据,整理出2种胸鳍结构在前游和倒游工况下的推力等效效率与幅值和频率变化关系曲线;分析了2种胸鳍结构产生推力及推力等效效率的原因。实验结果表明:前游工况下,2种胸鳍推力值接近,倒游工况下,随着幅值和频率的增加,分体胸鳍结构倒游推力增加明显,最大可达0.22 N;前游工况下,分体胸鳍结构推力等效效率较完整胸鳍稍差,倒游工况下,随着幅值和频率的增加,分体胸鳍结构倒游推力等效效率有显著提升。文中对分体胸鳍结构的设计为探究基于摆旋机构推进机器鱼倒游性能提供了参考。

基于跟踪误差约束的机器鱼抗扰动路径跟踪控制

为了解决机器鱼在扰动下跟踪效率低的问题,本工作提出了一种抗扰动和自适应的误差约束控制方案。首先,通过设计虚拟控制输入,并利用积分环节更新了自适应视线制导律,消除了侧滑导致的运动位置偏离,增强了机器人的抗干扰能力。其次,通过构造机器鱼的偏航和浪涌自适应控制器,使神经网络函数拟合模型的不确定项和水流扰动,并用逼近值补偿系统的控制输入。这提升了机体的环境适应性。最后,利用障碍Lyapunov理论,机器鱼跟踪位置和角度的一致最终有界性被证明。通过模拟和实验,与经典制导方案相比,所提方案提高了机器鱼的跟踪效率和稳态性能,使机器鱼的位置误差收敛速率平均提升了14.57%。

仿生机器鱼步态控制及闭环运动控制方法综述

鱼类所具有的推进效率高、机动性强、环境扰动小等优点引发了国内外学者对仿生机器鱼的研究。底层步态控制方法和闭环运动控制方法是当前机器鱼控制研究的两大热点。按照推进模式的分类方法概述各类机器鱼的样机研制情况以及其性能优劣,介绍机器鱼的推进机理及其水动力学研究进展,进而重点探讨轨迹逼近方法和中枢模式发生器这2种底层步态控制思路,综述机器鱼的典型闭环运动控制方法。中枢模式发生器具有更强的灵活性、稳定性和可操作性,易于引入反馈项而实现闭环控制,在机器鱼底层步态控制中占主导地位。针对机器鱼的显著特点改进后的基于学习的控制方法与多种方法相结合后的混合控制方法具有更为广阔的发展前景,符合仿生机器鱼智能化的发展方向。根据工作条件和运动要求建立合理的步态控制系统以及准确高效的闭环运动控制系统可提高机器鱼的整体性能。

胸尾鳍协同推进的仿生机器鱼设计

针对一种新型仿暗绿鲀机器人,以提高其机动性与优化外形为目的进行研究,设计具有双自由度胸鳍和二关节尾鳍的机器鱼。它的胸鳍对称地排列在两侧,可以做拍翼和摇翼两个自由度的运动,用于推进或其他目的,如转弯和潜水。最后,进行三组实验,研究机器鱼在三种不同推进模式下的游动性能,重点在于对胸尾鳍协同推进的研究。实验结果表明,尾鳍推进和胸鳍推进的游动速度与模型预测基本吻合。此外,单独使用尾鳍推进时,游速可达0.14 m/s;单独使用胸鳍推进时,游速可达0.04 m/s;胸鳍和尾鳍协同推进转弯时,最大游速可达0.19 m/s,最大转弯速度可达0.4 rad/s,此时转弯半径为0.15 m。

仿生机器鱼框架机构动力学分析与轻量化设计

框架机构作为仿生机器鱼重要的零件,对其进行轻量化设计是提高仿生机器鱼推进效率的有效途径。在三维设计平台中构建虚拟仿生机器鱼的框架及尾部摆动三维实体模型。基于扑翼理论,分析了仿生机器鱼尾鳍在运动中的力学特性,采用瞬时负载数值模拟方法获得仿生机器鱼尾鳍瞬时负载。在机械系统动力学分析软件Adams环境下导入尾鳍机构进行分析,获得了仿生机器鱼框架机构的运动载荷。通过对仿生机器鱼框架的瞬态模拟,研究了仿生机器鱼动态力学实时特征。基于拓扑优化,对仿生机器鱼框架的关键区域进行轻量化设计。结果表明,等效应力、等效应变、总变形和质量分别降低了12%、16%、5.3%和10.69%。仿生机器鱼框架轻量化设计方法提高了仿生机器鱼的机动性能,为仿生机器鱼的设计与研究提供了可靠的理论基础。

多关节仿生机器鱼建模分析与仿真

针对仿生机器鱼建模的复杂性,以三关节机器鱼为研究对象,基于动力学和运动学进行机器鱼的模型构建,并进行控制方式的仿真分析。首先,对鱼类和机器鱼的控制方式、动力学和运动学特性进行分析。其次,使用SolidWorks搭建机器鱼物理模型,并将其导入MATLAB中以建立Simscape仿真模型。最后,通过仿真实验分析评估机器鱼模型性能。结果表明,机器鱼模型三个关节角度的时间变化曲线相对平滑,没有明显突变或抖动,展现出稳定的运动行为,验证了该模型在设计和参数调节方面的合理性。

仿生机器鱼转向机动的水动力性能数值研究

将仿生机器鱼的C-型转向机动划分为弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段,首先基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体与流体相互作用的耦合求解方法,其次通过二次开发FLUENT实现机器鱼在C-型转向机动过程中鱼体的大变形运动,最后数值计算了机器鱼在C-型转向机动过程中的运动性能、水动力性能和流场涡结构。计算结果表明:仿生机器鱼在弯曲阶段和保持阶段进行快速的转向;在伸展阶段,机器鱼的艏向角速度和侧向速度快速的减小至零值,而前进速度则快速的增加,在伸展阶段结束时获得一个较大的前进速度;在滑行阶段,仿生机器鱼以获得的纵向速度向前滑行,并且纵向速度缓慢的减小。机器鱼的C-型转向机动能够实现小范围内的大角度转向;在弯曲阶段和伸展阶段鱼体的快速弯曲和伸展运动各产生一个涡环,每个涡环产生一个射流,射流产生作用于机器鱼上的水动力和力矩。

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。

刚柔耦合仿生机器鱼传动轴动态疲劳可靠性分析

仿生机器鱼在水下工作时受载复杂,仿生机器鱼结构的可靠性对其综合性能有着重要的影响。基于扑翼推进理论,利用Matlab软件分析机器鱼尾鳍的瞬时负载。结合虚拟样机技术,建立以尾鳍传动轴为模态中性文件的仿生机器鱼刚柔耦合虚拟样机模型,分析确定传动轴的薄弱环节,结合随机载荷疲劳可靠性理论,构建以损伤量为指标的疲劳可靠度分析方法,得到了不同应力循环次数下的疲劳可靠度规律。将刚柔耦合虚拟样机技术与扑翼推进理论和随机载荷疲劳可靠性理论相结合,提出一种应用于水下仿生机器人的动态可靠性设计方法。

鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究

为了分析仿生机器鱼的推进模式并预测水下推进性能,对其水动力特性开展研究。基于鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼和波动推进理论,研究入流速度和波动频率对自推进性能的影响。对胸鳍在不同攻角下的升阻比进行数值计算,最佳攻角为20°。通过研究掌握了影响运动性能的主要因素,确定了计算自推进速度的数值方法,改进了机器鱼波动推进模型。研究结果显示,尾部波动频率是最关键参数,对仿生机器鱼的推力和启动响应速度有直接影响。

柔性胸鳍推进仿蝠鲼机器鱼CPG运动控制

文中以蝠鲼为仿生对象,提出了一种基于柔性胸鳍推进的仿蝠鲼机器鱼设计方案,并针对该机器鱼设计了基于中枢模式发生器(CPG)的运动控制策略,进行了控制参数的影响分析与多种运动模态的性能测试。首先,对蝠鲼的运动特征进行了分析,在实际仿生功能需求下提出了仿蝠鲼机器鱼的整体设计方案。然后,为实现仿蝠鲼机器鱼在不同游动模式下的稳定游动及连续平稳切换,设计了一种CPG运动控制方法,并分析了各控制参数对CPG拓扑网络结构输出信号的影响。最后,对仿蝠鲼机器鱼的机动性进行了进一步的游动测试,验证了仿蝠鲼机器鱼能在水下灵活实现直线巡游、转向及浮潜等多种运动模态,具有出色的运动性能和应用前景。

基于中枢模式发生器的机器鱼分层闭环控制方法

为实现多关节仿生机器鱼自主巡航及柔性游动的同步控制,采用双向链式最近相邻耦合方式,构建了基于Hopf振荡器的中枢模式发生器(CPG)网络模型,并分析了控制参数与机器鱼游动模态之间的关系。在此基础上,提出了一种基于CPG的分层闭环控制方法,利用传感器网络获取机器鱼的状态信息及环境信息、粒子群-人工势场法进行机器鱼的避障及路径规划、模糊控制器进行轨迹跟踪、具有耦合反馈机制的CPG网络模型生成节律控制信号。最后,进行了机器鱼多个游动模态、模态间的平滑切换、自主巡航和避障的仿真和实验研究,仿真与实验结果验证了所提控制方法的可行性和有效性。

3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析

为了提高仿生机器鱼在复杂水环境中的游动性能和推进效率,文中设计了一种3自由度胸鳍机器鱼推进机构,研究了鱼体在3自由度胸鳍推进和两侧胸鳍与尾鳍协同推进两种模式下的游动性能。首先,基于鱼体波传播理论分析3自由度胸鳍关节空间运动规律,采用微元法分析建立其动力学模型,并对不同推进方式下运动参数的影响程度进行了比较和仿真。仿真结果表明:当两个胸鳍相互协同时,机器鱼的平均速度为0.28 m/s,当双侧胸鳍与尾鳍共同协同时,机器鱼的平均速度为0.42 m/s,对比发现胸鳍和尾鳍协同推进时速度更高且推力更大,可实现较宽的游速范围,推进性能更好。

基于RBF神经网络自适应滑模的机器鱼运动控制

针对水中扰流、波浪等外界环境扰动下机器鱼空间运动控制问题,以灵活的3自由度胸鳍推进仿生机器鱼为研究对象,在设定胸鳍最优运动轨迹的基础上,将控制输入简化为拍翼角相位差,并建立仿生机器鱼在扰动条件下的水动力学模型。由于流体运动的复杂性以及机器鱼自身变形对动力学参数的影响,提出了RBF神经网络自适应滑模的机器鱼控制方法,采用RBF神经网络对动力学模型中的不确定项和水流干扰项进行在线逼近,并结合自适应滑模控制器对控制参数进行实时调节,通过李亚普诺夫稳定性定理证明所设计控制器具有渐近稳定性。实验结果表明机器鱼在螺旋下潜运动时,仅在初始阶段具有较大的误差,约8 s后机器鱼的运动轨迹和期望轨迹基本吻合,验证了所述方法的有效性。

机器鱼多鳍协同推进加速——滑行行为数值模拟

针对仿生机器鱼的自主推进问题,基于计算流体力学(CFD),实现了含有分离式的3自由度胸鳍与柔性尾鳍仿生机器鱼的自主推进数值模拟,并且分析了其在静水中直游的水动力性能与游动机理。该仿生机器鱼通过柔性波动的尾鳍与一对刚性摆动的胸鳍协同作用,使鱼体在流场中直线游动,其中胸鳍通过重新刻画的摆动曲线运动,尾鳍采用特定运动规律波动。分析不同占空比下机器鱼自主推进过程中的鱼体游动性能、水动力性能、流场的速度矢量、压力云图与三维涡结构。结果表明:胸尾鳍在推进过程中周期性的产生射流与漩涡共同推动了机器鱼的自主游动;胸尾鳍两侧在摆动时都伴随着较大压差,高压涡向后脱落为前进方向提供推力;推进过程中流场周围产生了较为复杂的涡结构,其中胸鳍产生的涡逐渐脱落,融合到尾鳍尾涡中,加强了推力;占空比越小,推力系数的峰值越大,推进效果越好,但功率消耗也增大。

机器鱼双闭环正弦形轨迹跟踪控制方法

为实现机器鱼位置和姿态的实时轨迹跟踪控制,通过将姿态控制作为内环、位置控制作为外环的方式设计双闭环控制算法。内环通过采用滑模控制器使得其收敛速度大于外环,保证闭环控制系统整体稳定性,通过李亚普诺夫稳定性定理证明机器鱼位置姿态双闭环控制系统具有渐近稳定性。仿真结果表明:该方法可有效控制机器鱼纵垂面轨迹的实时追踪;实验中机器鱼完成预设运动共耗时12 s,其轨迹最大误差和平均误差分别为0.078 m和0.052 m,验证了双闭环算法在机器鱼轨迹跟踪控制中的有效性和高效性。

三关节尾鳍机器鱼的运动仿真分析

基于鲹科鱼的游动模式,建立三关节尾鳍驱动的机器鱼模型,并对三关节尾鳍进行运动仿真,分析其在不同摆动角度、不同摆动频率时的游动速度,探讨质心位置和动能随时间的变化情况,对比各个关节之间是否具有相位差时的游动姿态。结果表明:当机器鱼尾鳍三关节的摆动角度依次从10°增大到25°时,机器鱼的游动速度会随着摆动角度的增加而增大;当机器鱼尾鳍三关节的摆动频率在0.5~3 Hz内变化时,机器鱼的游动速度会先升高后下降;当尾鳍三关节之间具有相位差时,机器鱼尾鳍的游动姿态符合真实鱼的正弦摆动姿态。

仿生机器鱼设计及应用

目前,水资源勘探领域正处于快速发展阶段,随着水资源开发进程的加快,对水体的探测和分析成为一个制约水资源勘探领域快速发展重要因素。近年来,水下机器人的出现,正成为水资源勘探的重要工具之一。该系统以单片机为核心控制元件,选用有关参数的传感器进行数据采集,同时配备视觉图像传输与处理的功能,可以对水下的情况进行监测,同时对温度等水质参数进行监测,实现了水生物分布状况等情况的监测检查的目的。