一种多关节推进双体仿生机器鱼研究

针对单尾仿生机器鱼产生艏向摆动而使尾部推进效率大大降低的问题,提出全新的双体仿生机器鱼结构.运动过程中,机器鱼两条尾部所产生的大小相等、方向相反的横向作用力相互平衡,确保了机器鱼身体始终处于横向受力平衡的状态,从而在结构上解决了仿生机器鱼艏摇问题.运用Pro/Mechanism模块对所设计的双体仿生机器鱼进行尾部受力分析和动力学仿真,仿真和试验结果表明双体仿生机器鱼质心沿直线轨迹运动,验证了双体仿生机器鱼推进的高效性和可行性,双体仿生机器鱼的设计思想为解决机器鱼艏向摆动问题提供了新思路.     

基于ZigBee和RFID的多机器鱼协作系统研究

本文根据当今集中式多机器人协作系统的特点,提出了一种新的可以运用到目标物追踪过程中的多机器鱼协作方法.设计了基于ZigBee和RFID构建的多机器鱼协作系统,并通过进一步研究分析,得出该系统扩大了机器鱼系统的视觉范围,提高了机器鱼完成任务的效率,从而达到了协作优化的目的.     

柔性仿生机器鱼的复合推进结构设计

针对目前柔性仿生机器鱼推进结构单一等问题，文章针对性地进行了柔性仿生机器鱼的复合推进结构的设计，主要包括鱼身驱动推进结构、鱼身摆动推进结构、胸鳍扑动结构以及胸鳍浮潜结构，以提高柔性仿生机器鱼的推进效率；以及通过对所设计齿轮的校核，设计一款安全可靠、用于水下监测、环境保护的柔性仿生机器鱼。     

仿生鲔科机器鱼的多机体协同推进效率优化

推进效率是水下潜器装备运行的核心问题,对机器装备的现实应用具有至关重要的影响.针对仿鲔科鱼类研制的机器鱼,根据鲔科鱼类波状运动特征,将机器鱼体离散为由鱼体、尾鳍、胸鳍等部分组成的多刚体系统,结合鱼体所受外力载荷,运用牛顿欧拉法建立了机器鱼动力学模型.基于该动力学模型,开展了以提高机器鱼的推进效率为目标的鱼体运动参数优化设计,以机器鱼的巡游效率为目标、以鱼体各机体的运动参数为优化设计变量、选用遗传算法为优化算法,进行参数匹配优化;通过优化实现了机器鱼尾鳍、鱼体及胸鳍的多机体协同,提高了机器鱼的推进效率.针对优化匹配设计结果,进一步开展了机器鱼的运动学数值模拟仿真,结果表明机器鱼的巡游速度在数值上为鱼体长度的1. 415倍时,机器鱼的推进效率最高,其值达到最大值49. 9%.     

仿生机器鱼的水下探测和避障控制

文章提出了一种集成多红外测距传感器、GPS定位器、CMOS摄像头的仿生机器鱼,建立了仿生机器鱼传感器网络,设计了机器鱼的机构组成和技术参数,制定了一种仿生机器鱼游动规则库和控制方法,定义了10种机器鱼基本运动形式和几种转弯模式,使其在设定的游动规则中自主游动,主动避障,探测水下情况,实验验证了其有效性。     

一致性方法的多仿生机器鱼编队对齐行为

针对多仿生机器鱼编队中的对齐行为,利用一致性的方法,提出一种新颖的机器鱼编队控制方法。设定机器鱼群体的一致性协议,模拟一定的群体智能、群体行为,通过机器鱼之间的局部信息交流,群体方向最终达到一致。在机器鱼平台上分别对信息拓扑为无向图和有向图的情况进行了一致性实验验证。实验的初始条件是机器鱼个体的朝向和各自运动方向随机,实验的最后结果两种情况下机器鱼群体方向均达到了一致。实验结果表明,该方法是有效的,实现了编队的对齐行为。     

油浸式变压器微型机器鱼姿态定位

为有效检测大型变压器内部的故障位置和故障类型,利用微型机器鱼对变压器内部进行视觉观测,可较直观地检查变压器内部器件有无异常等。在微型机器鱼检测过程中,如何实现微型机器鱼位姿的准确定位是机器鱼任务完成的关键。针对金属封闭空间内变压器油中微型机器鱼位姿检测的问题,提出了基于声-电位姿定位和惯性导航相结合的联合位姿检测方法。通过分析超声信号在变压器内部及外壳上的传播特性提出了声-电联合定位装置安装方式;基于内嵌式的安装方式设计了声-电联合定位传感器,构建了变压器机器鱼姿态计算数学模型,并对变压器机器鱼姿态定位进行了仿真测试,测试结果表明:基于声-电位姿定位方法并结合构建的变压器机器鱼姿态计算模型,可以实现机器鱼在变压器内的同步定位。     

仿生机器鱼的尾部运动分析与控制

提出了一种自主避障的仿生机器鱼,给出仿生机器鱼的整体结构设计和尾部结构设计,并对仿生鱼的内部连接进行了描述.在仿生机器鱼的结构设计的基础上对仿生机器鱼的尾部运动进行了详细的分析.分析了仿生机器鱼在避障时尾部摆动与障碍物之间的关系.制定了鱼尾在避障过程中的摆动规则,从而使仿生鱼在避障时尾部不与障碍物有碰撞.通过仿真实验验证了其有效性.     

三关节机器鱼的动力学建模及其关键运动参数的研究

以三关节机器鱼为研究对象,分析了机器鱼在流体中的受力情况,建立了相应的动力学模型,并基于MATLAB仿真,讨论了机器鱼的摆动频率、摆动角度、相位差等参数对其速度和启动加速度等推进性能的影响,从而对仿生机器鱼的启动与游动状态的有效调试起到积极的指导作用.     

仿生机器鱼巡游性能分析与实验

以鱼体运动行波方程为动力学基础,参照鱼体尾部运动函数方程设计了"BLRF--I"系列仿鲹科机器鱼.在该系列机器鱼中,采用模块化设计结构,可以方便地更改尾部驱动舵机的数量,形成仅有驱动舵机数量不同、其他机制完全相同的单关节、两关节和三关节仿生机器鱼.对"BLRF--I"系列机器鱼的巡游速度与最小转弯半径进行实验分析.结果表明,"BLRF--I"系列机器鱼尾部驱动舵机数量的增加可以有效地提高巡游速度,最小转弯半径在舵机数量为2时达到最小.进而论证了仿生机器鱼关节数目对机器鱼游动性能的影响,并提出了仿生机器鱼关节数目和巡游速度的关系方程.     

机器海豚的机构设计与运动控制

研制了一种装配有机械鳍肢的新型仿生机器海豚系统。根据海豚典型的背腹式推进的特点,提出一种工程化的推进模型。机器海豚的运动被建模为三节的摆动运动：刚性头部、弹性软体和摆动的尾叶。用一个串联的、多关节的上下摆动机构来实现背腹式运动,用左右摆动的转弯机构和两自由度运动的鳍肢机构来实现机动运动。在此基础上,开发研制了机器海豚样机。实验结果验证了背腹式游动在推进和机动运动中的有效性。     

基于强化学习的仿生机器鱼节能研究

利用仿生机器鱼平台, 模拟鱼类集群游动过程, 通过实验方法探究机器鱼集群游动时的能量节省问题。具体地, 将两条机器鱼按照一定的前后距离和左右距离固定在低湍流水洞中, 并正对来流方向; 控制前方(领航)机器鱼游动姿态的变化, 使得后方(跟随)机器鱼处在变化的流场环境中。基于强化学习理论, 建立跟随机器鱼在该流场环境下游动所消耗的能量值与其游动姿态之间的映射关系; 利用该映射关系, 获得跟随机器鱼能量消耗最小值对应的游动姿态信息, 并将该信息反馈至机器鱼运动控制器中, 调整机器鱼游动姿态,达到节省机器鱼能量的目标。     

基于串级PID的机器鱼位姿控制算法

针对三关节仿生机器鱼的位姿控制问题, 首先, 介绍三关节仿生机器鱼的硬件结构及其运动控制系统; 其次, 基于期望位姿建立坐标系, 构建机器鱼的位姿误差模型； 再次, 在串级比例-积分-微分(PID)控制系统的基础上, 提出基于串级PID的仿生机器鱼位姿控制算法; 最后, 在URWPGSim2D仿真平台和多水下机器人协作控制系统平台下分别进行算法仿真实验和实体实验. 实验结果表明: 与时变反馈控制算法相比, 基于串级PID算法的仿真机器鱼到达目标位姿所用时间增加, 但位置误差和方向角误差减小, 位姿控制的精度提高; 仿生机器鱼到达期望位姿所用时间为14.4 s, 位姿误差为(-3像素,-4像素,0.062 rad), 基本满足循迹和搬运等应用要求, 验证了算法的有效性.     

仿生学习的机器鱼运动模式分析

运动行为建模是机器鱼研究领域的重点和难点,研究将一种新颖的仿生学习方法应用到多关节机器鱼运动模式学习和生成上。首先,通过视频采集设备对鲤鱼的运动行为进行记录,并对记录的视频数据作离散化处理后进行分析,提取得到了鲤鱼的3个基本运动模式:"巡游"、"游动转弯"和"C形急转"。然后采用通用内部模型(general internal model,GIM)对鲤鱼的运动模式进行学习,利用其函数逼近能力和在时间、空间上的可伸缩性,机器鱼可以学习、修正和再现真鱼的运动模式。最后结合红外传感器及避障算法实现了机器鱼的自主避障行为,从而证实了该方法的有效性。     

三关节机器鱼的尾部动力学建模与仿真

机器鱼技术为研究高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路,是近几年水下机器人领域的研究热点之一.以三关节机器鱼为研究对象,建立了尾部动力学模型,并进行了仿真,由该模型出发对机器鱼的动力学进行了研究,分析了机器鱼速度与频率等的关系.该方法实现的运动仿真与真实的鱼的运动基本一致,速度随着摆动频率的降低而减小,随着相位差的减小而增加,摆幅对速度的影响很大.     

机器鱼群体推进速度一致性研究

针对尾鳍推进机器鱼群体速度一致性问题,以动能映射特征方程为基础,提出了基于平行辨识的一致到达方法;并进一步提出了基于动能映射系数整定协议的速度同步方法. 具体实现为:首先为群体内的个体建立一簇运动学特征方程,并采用参数迭代学习辨识及自适应控制策略使机器鱼各自独立推进. 在速度目标相同的条件下,机器鱼群体最终趋近于等速运动;然后,通过建立稳态下的动能映射系数整定协议,由主机器鱼参数值整定群体参数,避免了不同个体测量误差带来的步调变化,实现群体速度的同步和前进姿态稳定. 仿真结果证明,该目标速度一致性实现方法是有效的.      

军用飞机斤斗类飞行轨迹最优化方法

针对军用飞机斤斗类飞行过程,以半滚倒转和半斤斗翻转为例,建立机动飞行计算模型。根据最小机动速度设置改出速度约束条件,将斤斗类机动平均分段,利用神经网络的拟合功能,得到动作改出速度和操纵条件之间的非线性关系。利用遗传算法的全局寻优功能,结合神经网络得到的权重和偏置结果,探索机动过程中边界飞行性能最大的法向过载选取方法。仿真结果表明,与相关手册中给出的常规操纵方法相比,利用遗传算法优化后得到的过载控制规律飞行,可以使飞机具有更大的高度-速度范围,同时,比直接将遗传算法和数值积分相结合具有更快的计算速度。提出的方法也可以用于其他机型斤斗类飞行轨迹的最优化设计中。研究结果具有一定的实用价值。     

基于滑模控制的飞行器螺旋机动、制导与控制一体化设计研究

针对空舰飞行器末制导过程中突防能力不强;制导、控制回路分离设计在带宽分离假设条件不满足情况下的控制效果较差的两方面问题,将飞行器制导与控制回路进行一体化设计,并引入三维螺旋机动的弹道机动形式,实现了螺旋机动、制导、控制一体化的设计研究. 首先对飞行末段的制导、控制回路进行了一体化建模,之后应用滑模控制方法,完成了制导与控制一体化的控制律设计,而后引入了对视线倾角速率与视线偏角速率的周期性拉偏,完成了螺旋机动、制导、控制一体化设计,仿真结果表明,本文设计的控制律在保证对目标的精准打击能力的同时具备了攻击过程中的弹道螺旋机动能力.