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。     

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.     

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。     

用于煤矿井下透水事故探测机器鱼的研究

为探测煤矿井下透水时被困人员的位置和井下环境信息,便于井下透水事故被困人员的营救,该文研究了电磁舵机驱动的机器鱼。根据仿生学原理设计了机器鱼的形体参数;通过对机器鱼在水下的受力分析,确定了电磁舵机的扭矩,并在此基础上选定了电磁舵机的参数;设计了机器鱼实现直线巡游和转弯的控制系统;最后通过实验验证了电磁舵机驱动机器鱼游动的可行性。     

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.     

机器鱼的研究动态综述

机器鱼具有提高水下推进器的性能,且具有鱼类的高速、高效、灵活、噪声低的特点。首先从鱼的生理学角度及其游动机理分析和综述机器鱼的设计问题,其次分析了机器鱼必须解决的驱动、结构设计、稳定、防水等问题。最后探讨了这一领域关键的研究课题——速度效率、机动性、决策系统、定位导航、多传感器信息融合以及多机器鱼 方面的研究。     

探秘首条实用仿生鱼

目前，一条在京亮相的神秘“大鱼”，引起媒体和社会公众的极大兴趣。这条“鱼”就是我国科技界研制的第一条实用仿生机器鱼，它的这次水下活动，也被有关专家认定是“国际上首例水下仿生航行体的应用试验”。这条机器鱼有什么用?做到像真鱼那样在水中自由游弋有何难?笔者采访了这条“鱼”的诞生过程，了解到很多有关它的趣事——     

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.     

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。     

一月科技珍闻

“勇气号”发现 仿生水下机器鱼诞生 火星有水的最新力证 2004 年 12 2004年12月13日,“勇气号”飞 月5日,　我国第 行器在火星上发现了一种物质。这一发 一条仿生机器鱼 现是迄今为止火星上有水的最有力证 研制成功。这台 据。“勇气号”飞行器在一个被命名为 外形酷似活鱼的 “哥伦比亚山”的地区发现了针铁矿,这 机器人出色地辅 种物质的发现可以…     

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.     

多节舵机驱动的柔软尾鳍机器鱼设计与研究

自然界中大部分鱼类依靠身体和尾鳍的波动推动来驱动自身的运动。仿照该类鱼游形式的水下机器人具有游动效率高、噪声低、隐蔽性好等特点,能够在水体中执行巡逻监测、探测搜索、情报收集等任务,在水下资源探测开发、国家安全防卫等方面具有广阔的应用前景。设计制作一款高效游动的软体机器鱼,该机器鱼仿照自然中应用最广泛的身体-尾鳍推进模式,身体的驱动由三个串联舵机完成,尾鳍采用软体硅胶被动变形来进行能量捕捉,从而实现S型摆动提供推力。实测结果发现柔软的鱼尾鳍推进效率较高,速度达到0.3 m/s,对应的斯托哈尔数为0.543,与真鱼的游动相当。     

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.     

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。     

基于IPMC驱动器的小型遥控机器鱼的研制

IPMC智能材料具有驱动电压低、响应形变高的特性.利用这种智能材料为驱动器,设计了一种小型遥控机器鱼.该机器鱼可以由红外电视遥控器遥控,通过改变加在IPMC材料上的驱动电压的幅值和频率来控制机器鱼的游动方向和游动速度.在实验过程中,分别比较了在正弦波激励和方波激励下机器鱼的游动速度的差异,同时验证了驱动信号的幅值与频率对机器鱼游动速度的影响.通过实验有效地证明了IPMC材料作为驱动器的可行性.     

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。