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.     

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。     

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。     

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。     

两栖仿生机器鱼Ⅰ的建模及推进机构设计

仿生机器鱼技术为研发高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了一种方法.受两栖动物启发,完成了一种多模态仿生两栖机器鱼I的设计,并成功试制了样机.该两栖机器鱼能巧妙地利用转体机构实现仿鱼和仿海豚游动的结合,实现了二种运动模态的自由切换,其鳍肢/轮桨机构的引入不仅能使机器鱼在地面爬行或仿轮式运动,而且提高了水中运动的机动性.     

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。     

基于模糊控制的仿生机器鱼避障研究

为了使机器鱼能够在复杂与不确定的水下环境中进行自主导航与避障,提出了虚拟传感器与模糊控制相结合的仿生机器鱼避障算法,并使用已开发的仿生机器鱼的三维仿真系统对避障算法进行检测。通过虚拟射线法建立虚拟传感器来探测障碍物的相对位置,并设计一个复合模糊控制器根据虚拟传感器提供的信息实时控制机器鱼的运动。仿真结果表明:该避障算法可以有效地为机器鱼提供避障路径,准确地到达目标点。     

小波变换在多仿生机器鱼视觉系统中的应用研究

针对集控式多仿生机器鱼系统（multiple robot fishes coordinate System，MRFS）的实际要求和特点，采用小波变换对图像进行去噪处理．利用图像与噪声的小波模极大值随尺度变化大小不同，通过极大模点在各个尺度的取值来确定噪声的位置和特征，从而完成去噪目的．     

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.     

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.     

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。     

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。     

仿生扑翼型机器鱼驱动机构的设计

基于仿生学原理,模仿鸟类和昆虫飞行的翼和鱼的新月型尾鳍的推进机理,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料实现该机器鱼的水下复合推进,采用曲柄摇杆机构实现该机器鱼扑翼运动,具有运动形式简单、效率高、重量轻的特点;模仿鳢科加新月形尾鳍推进模式,使机器鱼的尾鳍简化为刚性的水翼,该水翼可做平动与绕自身轴摆动的复合运动;使用弹簧作为连接尾鳍与舵机的力传输元件,有效降低运动的能量损耗;在机器鱼尾部使用沉浮舵,由舵机旋转驱动拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉。     

一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼

提出了一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼设计方案,着重解决了机器鱼摆动式推进的问题.在该方案中,应用曲柄摇杆原理,采用了特殊的四连杆摆动机构,结合柔性尾部实现了机器鱼的摆动式推进;巧妙应用了霍尔位置传感器,检测摆杆临界位置,实现了鱼尾位置判断,进而控制鱼尾来转向;研制了以气缸为压缩泵的气路沉浮机构作为"鱼鳔",能使机器鱼进行沉浮动作.实验显示这种机器鱼达到了预期的功能,在水下作业、军事侦察、娱乐等领域有一定的研究应用价值.     

一种新型微型仿生机器鱼控制系统的设计

针对ICPF（ionic conducting polymer film）驱动的微型智能仿生机器鱼进行研究.以鱼类为仿生对象,通过对鱼类游动机理的仿生学研究,设计了鱼形结构的主体框架、两自由度的胸鳍和尾鳍推进机构及基于AVR单片机的机器鱼硬件控制系统.针对微型仿生鱼运动特点,设计了直线巡游和转弯运动等运动模式及自动避障功能.最后建立了仿生机器鱼实验系统,进行了仿生机器鱼驱动性能测试和推进实验,实现了仿生机器鱼的避障功能,验证了系统设计的可行性.     

仿生机器鱼胸鳍的三维设计及数控加工

胸鳍是机器鱼实现沉浮、变向、倒退和推进的关键部件,胸鳍的三维设计及型面质量直接影响机器鱼实现稳定的各种运动.本文运用Soildworks2007对仿生机器鱼的胸鳍进行三维设计,通过CAM功能生成了胸鳍数控加工的代码,并用数控机床实现了机器鱼胸鳍的数控加工.     

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.      

仿生机器鱼靠壁游动的壁面效应特性研究

为实现仿生机器鱼靠壁游动的工程实际需求,研究了机器鱼靠壁游动过程的壁面效应特性.首先建立了机器鱼运动学模型,然后采用计算流体动力学方法对机器鱼靠壁游动过程的水动力学和流场分布进行了数值仿真计算,最后对机器鱼在不同靠壁距离下的水动力参数进行了实验测试分析.结果表明:固体壁面会对机器鱼靠壁游动过程的水动力参数产生影响,靠壁距离越小,产生的偏航力矩和侧向力越大,从而导致机器鱼形成远离壁面的偏航游动.     

仿生机器鱼快速启动的水动力性能数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自由游动的计算模型,对仿生金枪鱼模型的C-型快速启动进行了模拟.鱼体由静止开始,经过C-型快速启动之后,进入滑行阶段.对整个过程中鱼体的游动性能、水动力性能、流场速度矢量分布和三维涡结构进行分析.结果表明:在阶段1,鱼体后部快速地弯曲成C-型,首摇角速度ωz快速向负向(顺时针方向)增加至峰值之后缓慢减小,导致鱼体快速转向;在阶段2,鱼体后部快速地弹出C-型,首摇角速度ωz快速向正向(逆时针方向)增加至峰值之后迅速减小,同时纵向速度(Ux)快速向前进方向增加至幅值之后保持不变;在滑行阶段,鱼体以C-型启动获得的Ux向前滑行;在整个C-型启动阶段共有两个涡环产生,每个涡环产生一个射流,在阶段1产生的射流使得鱼体快速转向,在阶段2产生的射流使得鱼体快速向前滑行.     

仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.