胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究进展

胸鳍摆动推进模式鱼类兼具高机动性、高效率和较高运动速度等优势特征,以此种鱼类为自然原型构建仿生机器鱼成为水下机器人研究领域的一个热点问题。通过对牛鼻鲼生物学研究成果的总结和实地观测分析,得出胸鳍摆动推进模式鱼类的典型身体结构特征和运动变形规律。系统总结胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究领域中摆动胸鳍功能单元理论和试验研究情况以及仿生鱼样机构建的国内外研究现状。着重介绍研究小组在胸鳍摆动推进仿生鱼研究中所取得的阶段性成果,并在游动速度方面与本领域内的其他样机进行对比。通过对当前胸鳍摆动推进仿生鱼研究成果进行分析,得出现有仿生样机与自然原型存在差距的主要原因。随着研究的不断深入,胸鳍摆动推进仿生鱼样机性能与自然原型之间的差距必将逐渐缩小,实际应用前景广阔。

胸鳍摆动推进模式机器鱼深度控制

提出一种基于专家PID和模糊控制的双闭环深度控制方法,用于实现胸鳍摆动推进模式机器鱼的定深控制.通过控制机器鱼的尾舵摆动角度,可以使机器鱼产生一定的俯仰力矩,从而改变机器鱼的俯仰姿态,实现上浮或下潜运动.给出了机器鱼的相关定深实验,并分析了不同目标深度下俯仰角度初始变化范围存在差异的原因.实验结果表明:本文提出的定深控制方法能够使机器鱼比较准确地稳定在目标深度,以及能够改善机器鱼到达目标深度后稳态游动时的俯仰稳定性,能够较好地实现机器鱼的深度控制.

仿生机器鱼胸鳍驱动机构设计

设计了一种二自由度的胸鳍驱动机构。该机构采用连杆机构和齿轮机构分别实现仿生机器鱼的前后拍翼运动和摇翼运动,具有运动形式简单、效率高、可靠性好的特点。对驱动机构进行了运动学分析,建立了驱动机构的数学模型。仿生机器鱼通过两侧胸鳍配合,可以实现仿生机器鱼前进、后退、转弯等基本运动,为仿生机器鱼的设计提供了一套切实可行的方案。

胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制

针对胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制研究的实际需求,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)的模糊控制方法.通过模仿生物原型的胸鳍摆动规律,得到一种可以驱动机器鱼滚转运动的胸鳍摆动方式,并通过定义相关参数将其量化表达.基于胸鳍摆动CPG模型,建立模糊控制器,用于机器鱼的滚转机动控制.进行了机器鱼的滚转运动实验并对实验结果进行了详细分析.实验结果表明,机器鱼能以最快10(°)/s的角速度达到目标滚转角度,而且稳态误差不超过±5°.通过滚转机动控制,并配合航向控制,实现了胸鳍摆动推进的机器鱼以90°滚转角穿越宽度为翼展1/2的狭窄空间的高机动性运动.

基于Hopf振荡器的仿生机器魟鱼胸鳍波形控制算法

为了获得与生物魟鱼胸鳍相近的推进波形和游动性能,提出基于Hopf振荡器的仿生中枢模式发生器(CPG)胸鳍波形控制策略.针对仿生机器魟鱼的结构与游动特征,利用20个Hopf振荡器耦合构建中心式CPG拓扑网络模型;通过输入参数幅值、频率和波数,控制该拓扑网络模型输出仿生机器魟鱼定常巡游、加速游动和机动转弯3种游动模式下胸鳍波形的动态位置信号.通过仿真验证了该拓扑网络模型能够快速响应输入参数的变化,稳定输出平滑、连续的动态位置信号.通过试验研究该拓扑网络模型控制仿生机器魟鱼胸鳍波动的可行性以及网络的输入参数对仿生机器魟鱼游动性能的影响.试验结果表明,该模型能够稳定地输出耦合的波形信号,控制仿生机器魟鱼鳍面形成与生物鱼相似的推进波形,实现各游动模式以及各游动模式间灵活平滑地切换.

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.