仿生机器鱼艏向摆动动力学仿真及分析

由尾鳍拍动产生侧向力导致的机器鱼的艏摇能够影响航行器的推进效率。该文首次运用Adamas软件埘北京航空航天大学机器人研究所“SPC—Ⅱ”仿生机器鱼进行了尾鳍受力分析和动力学仿真。从鱼体和尾鳍推进机构质阜比、拍动频率以及对尾鳍攻角的影响三个方面对仿真结果进行了分析，得出以下结论：随着鱼体和尾鳍推进机构质量比的增大以及频率的增大。艏摇不断减小；鱼体和尾鳍推进机构质量比小于78，没有出现共振现象；艏摇的存在会明显的衰减尾柄主臂和尾鳍攻角的角位移。     

基于 Kane 方法的机器海豚动力学建模及速度优化方法

在利用Kane方法对机器海豚进行动力学建模的基础上, 提出了一种对豚体波拟合推进进行速度优化的方法. 首先, 选取各连杆的关节角和机器海豚头部质心的坐标作为广义坐标, 对具有三个推进关节的机器海豚进行运动学分析,进而得到广义惯性力; 然后,结合对各连杆受力分析得到的广义主动力, 建立机器海豚的动力学方程. 其中, 根据尾鳍攻角所处的不同范围,分别利用升力线理论和阻力模型将尾鳍建模为有限翼展机翼或平板来计算水动力. 在此基础上, 结合豚体波拟合推进, 提出一种通过调节尾鳍关节角规律的幅度和相位来优化平均推进速度的方法. 仿真结果表明了所建模型及优化方法的有效性.     

两关节仿生水下航行器SPC-Ⅲ的推进与机动性

为评估尾鳍推进机构的实用性,以SPC-Ⅲ机器鱼作为研究平台,在同等排水量下分别使用尾鳍推进器和螺旋桨推进器,比较两者的功率和机动能力.在海试条件下,对尾鳍推进器和螺旋桨推进器的功率及机动性进行了测试,表明前者的转弯半径约为后者的2/5,在2.2kn速度下,前者的功率比后者低约7%.SPC-Ⅲ仿生水下航行器携带多参数水质探测仪在太湖完成了航程为49km的水质探测实验,得到了太湖水域的蓝绿藻浓度分布数据.     

两关节仿生水下航行器SPC-III 的推进与机动性

为评估尾鳍推进机构的实用性,以SPC-III 机器鱼作为研究平台,在同等排水量下分别使用尾鳍推进 器和螺旋桨推进器,比较两者的功率和机动能力．在海试条件下,对尾鳍推进器和螺旋桨推进器的功率及机动性进 行了测试,表明前者的转弯半径约为后者的2/5,在2.2 kn 速度下,前者的功率比后者低约7%．SPC-III 仿生水下航 行器携带多参数水质探测仪在太湖完成了航程为49 km 的水质探测实验,得到了太湖水域的蓝绿藻浓度分布数据．     

一种相干分布式目标的水声成像方法研究

介绍一种基于相干分布式目标模型的水声成像理论和方法.针对水下分布式目标成像的需要,建立了相干回波模型,并提取水下目标的本质特征,给出分布式目标成像的DSPE算法,并运用该算法对目标回波进行处理.通过计算机仿真分析,得出的仿真结果与理论分析相符,验证了分布式目标成像方法的有效性.构建目标的水声图像可以为水下探测实现精确定位提供技术支持,研究成果对基于分布式目标模型的水下目标成像理论和方法的研究具有重要的参考价值.     

UUV侦察水雷作业模式效率评估仿真研究

侦察水雷是水雷战的一项重要内容,也是水下无人作战平台(UUV)的一项重要作业任务.经研究,提出了水下无人作战平台执行侦察水雷任务的二种作业模式,为对二种作业模式的效率进行评估,给出了作业区的水雷分布模型,在分析二种作业模式侦察水雷作业过程的基础上,利用贝叶斯定理和统计学方法,建立了水下无人作战平台使用二种作业模式侦察水雷作业效率的评估仿真模型,并结合简单想定进行了计算机仿真,得出了评估仿真结果.为水下无人作战平台选择作业模式提供了理论依据.     

一种2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼转弯特性研究

以2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼为对象,研究其在单侧胸鳍推进、两侧胸鳍协同推进、以及单侧胸鳍与尾鳍协同推进等3种情形下的转弯特性.首先给出了胸鳍和尾鳍的正弦运动规律,并建立了3种情形下的转弯水动力学模型.然后利用数值方法分析了单侧胸鳍推进、单侧胸鳍/尾鳍协同推进时机器鱼实现给定半径转弯,以及两侧胸鳍协同推进时机器鱼实现原地转弯的特性,并给出了相应的转弯条件.实验结果表明,单侧胸鳍/尾鳍协同推进时的平均转弯角速度为0.26 rad/s;单侧胸鳍推进时的最大转弯角速度为0.314 rad/s,最小转弯半径为0.74倍体长;双侧胸鳍协同推进时原地转弯平均角速度为0.42 rad/s.与现有结果相比,所设计机器鱼转弯方式更为丰富,转弯机动性和转弯角速度较高.     

基于神经网络的水下设备监控管理及决策系统

该文详细地介绍了大型水下设备的组成特点及在传统管理方面存在的问题,详细分析了神经网络在管理工程方面的具体应用,包括优化、预测、决策支持、建模与仿真和在全局智能化管理方面的具体应用。最后以大型水下设备为例,介绍了具体的神经网络的管理方案,包括神经网络应用于大型水下设备的模型框架和神经网络模型管理系统面向对象设计,在监控管理及辅助决策分析系统做出了比较详细的分析。仿真结果表明,该监控管理用决策系统具有很强的实用性和参考价值。     

仿生水下机器人运动控制方法研究

近年来仿生技术在水下机器人上的应用已经成为水下机器人的重要研究方向之一。仿生水下机器人采用尾鳍提供前进动力和改变航向，比传统的桨舵具有高效性和高机动性。本文根据仿生水下机器人水池试验结果讨论了其运动性能，并在此基础上提出了仿生水下机器人运动控制方法，最后通过仿真试验验证了该方法的可行性。运动控制研究，是仿生水下机器人其它使命的基础，具有重要的意义。     

基于神经网络的水下设备监控管理及决策系统

该文详细地介绍了大型水下设备的组成特点及在传统管理方面存在的问题，详细分析了神经网络在管理工程方面的具体应用，包括优化、预测、决策支持、建模与仿真和在全局智能化管理方面的具体应用。最后以大型水下设备为例，介绍了具体的神经网络的管理方案，包括神经网络应用于大型水下设备的模型框架和神经网络模型管理系统面向对象设计，在监控管理及辅助决策分析系统作出了比较详细的分析。仿真结果表明，该监控管理用决策系统具有很强的实用性和参考价值。     

双鱼并排游动时水动力性能研究

随着水下仿生机器人的发展,人们开始关注鱼群个体之间的能量传输.鱼类在水中游动时,尾鳍摆动会与水相互作用,形成尾涡.鱼类会从附近尾涡中汲取能量,降低自身消耗.但是,有学者指出鱼群中不同摆动相位差个体之间存在相互干扰,阻碍鱼群前进,增加了自身能量消耗.使用一种在线实时功率检测系统,检测并排游动时两条机器鱼的纯功率、速度等鱼群水动力性能随着机器鱼摆动其相位差变化趋势.同时研究了双鱼之间横向距离对纯功率消耗影响,并结合纯功率和速度计算机器鱼推力.引入效率计算方法,并结合纯功率、速度和推力,计算和拟合效率分布趋势图.     

Bio-harmonized control experiments of a carangiform robotic fish underwater vehicle

This paper presents experimental implementation and comparison of three different control schemes of a bio-inspired robotic fish underwater vehicle. The dynamics model is obtained by unifying conventional rigid body dynamics and bio-fluid dynamics of a carangiform fish swimming given by Lighthill’s(LH) slender body theory. It proposes an inclusive mathematical design for better control and energy efficient path travel for the robotic fish. The system is modeled as an two-link robot manipulator (caudal tail) with a mobile base (head). This forward thrust drives the robotic fish head represented by a combined non-linear equation of motion in earth fixed frame. We develop and compare the dynamic motion closed loop control strategy of the bio-harmonized robotic fish based on three different non-linear control schemes using CTM (Computed Torque Method), FF (Feed-Forward) controllers both with dynamic PD compensation and finally a proposed combination of CTM with FF. An inverse dynamic control method based on non-linear state function model including hydrodynamics is proposed to improve tracking performance. CTM control generates a feedback loop for linearization and decoupling robot dynamic model with a shorter response time, while a dynamic PD compensation in the FF path is employed by FF scheme through the desired trajectories. FF model-based strategy results in an improved tracking and shorter route to travel between two points. Overall results indicate that performances of the proposed control schemes based on the inverse dynamic model are comparable and useful for robotic fish motion tracking in fluid environment.     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性，选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究，对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析，同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力；并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较，验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析，说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

仿生机器鱼运动学模型优化与实验

以仿生学为基础的机器鱼是一种新型水下机器人,具有高速、高效、节能等方面优势。为进一步探索仿生机器鱼的运动机理,指出了当前仿生机器鱼运动学模型存在的不足,即未考虑因制造、鱼体结构的影响,而产生的头部左右摆动。故在考虑仿生机器鱼头部摆动的情况下,构建头部摆动方程,引入摆动偏移量,修正其运动学模型。利用MATLAB对模型进行优化,分析结果表明修正后的运动学模型更能够描述实体仿生机器鱼的游动特性。最后,将修正后的运动学模型,运用到三关节仿生机器鱼上进行实验,结果表明,该模型能够有效地抑制仿生机器鱼头部摆动,进而提高了仿生机器鱼的游动速度。     

Dynamic modeling of a CPG-governed multijoint robotic fish

This paper is devoted to the formulation of a dynamic model of a serially connected multijoint robotic fish with a pair of wing-like pectoral fins, in which the whole robot is treated as a moving multilink rigid body in fluids. Considering that the thrust of fish mainly results from the force of trailing vortex, added lateral pressure, and leading edge suction force, the dynamic equations of the swimming fish have been derived by summing up the longitudinal force, lateral force, and yaw moment on each propulsive component in the context of Lagrangian mechanics. Along with the bio-inspired central pattern generators (CPGs) as the locomotor controller, the overall dynamic propulsive characteristics of the swimming robot are then estimated in a mathematical environment (i.e. Mathematica). Finally, simulations and experiments are carried out to validate the effectiveness of the built dynamic model. Results demonstrate that the CPG-coupled dynamic model provides a fairly good guide to seeking pragmatic backward swimming patterns for a carangiform robotic fish.     

Precise planar motion measurement of a swimming multi-joint robotic fish一种面向多关节机器鱼平面运动的精确测量方法

This paper presents a method for planar motion measurement of a swimming multi-joint robotic fish. The motion of the robotic fish is captured via image sequences and a proposed tracking scheme is employed to continuously detect and track the robotic fish. The tracking scheme initially acquires a rough scope of the robotic fish and thereafter precisely locates it. Historical motion information is utilized to determine the rough scope, which can speed up the tracking process and avoid possible ambient interference. A combination of adaptive bilateral filtering and k-means clustering is then applied to segment out color markers accurately. The pose of the robotic fish is calculated in accordance with the centers of these markers. Further, we address the problem of time synchronization between the on-board motion control system of the robotic fish and the motion measurement system. To the best of our knowledge, this problem has not been tackled in previous research on robotic fish. With information about both the multi-link structure and motion law of the robotic fish, we convert the problem to a nonlinear optimization problem, which we then solve using the particle swarm optimization (PSO) algorithm. Further, smoothing splines are adopted to fit curves of poses versus time, in order to obtain a continuous motion state and alleviate the impact of noise. Velocity is acquired via a temporal derivative operation. The results of experiments conducted verify the efficacy of the proposed method.     

基于CFD的仿鲹科机器鱼动力学建模与运动控制

仿生机器鱼的运动控制是仿生机器鱼推广应用的基础;然而,仿鲹科机器鱼的推进一般采用鱼体波数据,很少采用真实鱼类游动数据;为了深入探究仿鲹科机器鱼运动控制方法,采用了计算流体力学方法,通过标定流体介质、来流速度、鱼体几何形状等措施,利用Fluent软件进行了建模,然后针对鱼体波数据和真实金枪鱼游动采样数据两种不同推进数据对仿生机器鱼进行了仿真和实验;结果表明对于多关节仿生机器鱼推进方面,真实金枪鱼游动采样数据相较于常见的鱼体波产生的推进数据,在躯干进行大幅值摆动的情况下效果更好;这一仿真和实验对比为仿鲹科机器鱼的高效运动控制提供了一种新思路。     

机器鱼在线功率检测系统设计与实现

水下仿生机器鱼由于其高效而灵活的水下运动而受到广泛关注.至今,人们对于水下机器人的研究主要集中在运动仿生以及动力学机理解释等方面,对于机器鱼的运动中的实时功率消耗研究还几乎空白.其中一个主要原因是水下机器人的功率消耗不能直接实时获得,因而提出了一个实时在线高速功率测量系统,通过该系统能够实现5000S/s的采样速率,获得精确的机器鱼在水中运动下的实时功率,从而为后期提高机器鱼游动效率的研究做基础铺垫.一系列实验证明了其对水下机器人的实时效率检测的有效性.此外,实现对机器鱼的功耗评估能够更好地为设计节能型水下航行器提供有力的指南.     

仿生机器鱼的检测与特征提取

在现有仿生机器鱼平台的基础上研究了仿生机器鱼的检测和特征提取算法,并采用均值背景模型结合大津法计算的阈值计算出机器鱼位置,采用前后背景的自适应更新方式减少光照改变的影响以及机器鱼影子的干扰。然后通过数学形态学处理,得到最终的二值图像并将符合要求的二值图像块数目标记在左上角。将目标块用外接矩形围住,通过相应的公式计算出各机器鱼二值图像的几何特征。实验结果证明可以达到预期要求。     

Propulsion modeling of caudal fin driving system on balloon fish robot

Recently, biomimetic robots combining the characteristics of fish robots and airship robots have been studied. In this work, we consider balloon fish robots (BFR). This paper presents our understanding of the BFR motion obtained through simulations and experimental results. The simulation of the BFR motion is based on a traveling-wave equation, defined as the product of a sine wave and quadratic curve. In this study, we derived an equation of motion for BFR and conducted an experiment to measure the thrust force. By solving the equation of motion with the Runge–Kutta method, we are able to calculate theoretical values for the propulsion velocity of BFR. We validate the simulation by comparing theoretical and experimental propulsion speed values. As a future task, we will measure BFR thrust at more parameters.