胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析

作为一种新颖的应用于仿生机器鱼制作的推进模式,胸鳍摆动推进模式因其具有的独特优势而引起国内外科研人员的重视。本文系统介绍了国内外采用摆动胸鳍推进的仿生鱼的研究现状,重点分析了此类仿生鱼样机的结构特征和推进性能。通过对现有研究成果的分析,得出了胸鳍摆动推进式仿生的研究发展趋势。     

基于微舵机控制的仿生鱼设计与实验分析

设计了微舵机控制的仿生鱼,结合鱼胸鳍和鱼尾鳍的配合动作,完成一系列的游弋动作。其中根据鱼类"波动推进理论"的游动机理,实现仿生鱼的前进、转弯运动;根据鱼类"胸鳍法理论"实现上浮、下潜运动;提出加减速游动方案,通过修改X值的方法,实现仿生鱼的加减速游。组装并进行水上模拟实验和水下实际实验,调试仿生鱼的各动作协调性,分析仿生鱼在水中的静态平衡和动态平衡问题。     

一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼设计与实现

首先研究了牛鼻鲼的形态学特点,对牛鼻鲼的运动学特性进行了观测,并进行了运动学建模;然后基于“结构相似”的原理,研制出一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼——“牛鼻鲼—I”．该机器鱼被设计成扁平形,由主体和胸鳍两部分组成,无尾鞭,主体为刚性,三角形胸鳍为弹性．整个机器鱼总质量为1kg,弦长300mm,最大展宽为500mm．机器鱼通过8个左右对称的伺服电机按照一定的相位差驱动刚性鳍条,在胸鳍上实现了0.4个波长的正弦推进波．在水箱实验中,当左右胸鳍同向运动时,机器鱼达到了0.13m/s的前进速度和0.15m/s的后退速度;当左右胸鳍反向运动时,机器鱼在约8s内完成了原地360转弯,表现出优良的机动性．     

仿生魟鱼环形胸鳍波动推进的流场仿真

针对自主设计的仿生魟鱼水下机器人环形胸鳍波动推进过程进行了流场仿真研究。基于魟鱼前进运动时的胸鳍波动特征,建立了仿生环形胸鳍三维波动运动模型。利用CFD对胸鳍波动推进过程进行数值计算,分析了波动胸鳍产生的拉力以及前向运动的速度等推进性能。研究了周期波动过程中鳍面的周向压力分布,进行鳍面附近核心涡以及切面二维涡分量的计算,分析了涡的产生、发展以及尾迹涡的相关特性。结果表明,稳定后的拉力系数以近似正弦波形式进行波动,鳍面波动前后缘分布的高压和低压区域随波动沿周向从前往后传播,环形波动长鳍最终在尾迹处形成卡门涡,流场分析为仿生魟鱼水下机器人的运动控制及性能优化提供理论基础。     

胸鳍摆动式鱼类的泳动仿真

以胸鳍摆动式鱼类为研究对象,考虑流固耦合作用的影响,利用MSC Dytran对其泳动行为进行仿真研究. 通过给定规律的集中激励,基本实现胸鳍摆动式鱼类的泳动仿真,并得到一些基本合理的结果.     

仿生蝠鲼机器鱼BH-RAY3的研制及水力实验

通过对蝠鲼外形参数的设计和胸鳍变形机理的研究,研制了仿生蝠鲼机器鱼BH-RAY3。该机器鱼具有双柔性胸鳍,翼展620 mm,身长400 mm,最大航速1.09 DLS,外形阻力小,通过尾舵实现升降及转向。对BH-RAY3进行的水洞拖拽实验表明,随着拍动频率和幅度的增大,胸鳍推进力增大,在频率为1.0 Hz,幅度为24°时达到1.452 N;其次,对胸鳍被动变形形态的分析表明,柔性胸鳍同时产生0.25波长的弦向波和1个波长的展向波,与蝠鲼短波长、低频率的运动特点一致,验证了设计的合理性和可行性。     

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

咽颌模式仿生胸鳍的设计与实现

在深入分析咽颌运动模式鱼类胸鳍的肌肉和骨骼结构以及神经肌肉控制机理的基础上,采用欠驱动技术设计了一套新型的胸鳍仿生机构,介绍了此仿生机构各部分的结构、功能及参数.然后,为此胸鳍仿生机构设计了一套基于CAN总线的分布式实时测控系统,并详细分析了其软硬件的结构和功能.最后,建立了胸鳍仿生系统的样机,并通过试验验证了本文建立的胸鳍仿生系统在模拟鱼类胸鳍推进运动方面的可行性和有效性.     

智能仿生鱼系统的设计与实现

针对传统渔业养殖中渔场巡查和水质监测中大量人力物力损耗的问题,设计可实现自动化养殖的仿生鱼系统。集成循迹避障模块、定位模块和实时图像采集模块,搭载蚁群优化算法实现最优路径规划的水面航行和水面监测功能;集成水质监测传感器模块,搭载主成分分析算法实现实时水质评价;集成压水舱采样模块实现远程水体采样。仿真结果表明,该系统具备良好的路径规划和水质评价性能,可有效推动自动化养殖的实现。     

基于PPO算法的仿生鱼循迹智能控制

仿生鱼具有广阔的工程应用前景,对于仿生鱼的控制,首先要解决的是循迹问题.然而,现有的基于CFD方式和传统控制算法的鱼游控制方法存在训练数据获取成本高、控制不稳定等缺点.本文提出了基于PPO算法的仿生鱼循迹智能控制方法:使用代理模型替代CFD方式产生训练数据,提高数据的产生效率;引入高效的PPO算法,加快策略模型的学习速度,提高训练数据的效用;引入速度参数,解决鱼体在急转弯区域无法顺利循迹的问题.实验表明,我们提出的方法在多种类型的路径上均具有更快的收敛速度和更加稳定的控制能力,在仿生机器鱼的智能控制方面具有重要的指导意义.     

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.     

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。     

基于波浪能获取的多关节仿生机器鱼能源自给系统

为解决仿生机器鱼水下长期服役的能源瓶颈问题,提出利用波浪能摆动关节来发电的多关节仿生机器 鱼能源自给系统．根据随机波浪理论分析了海浪的频谱特性和获能潜力,设计了利用关节摆动发电的能源获取系 统,并建立该系统的机电模型．最后,通过仿真模拟和单关节摆动发电试验验证了该方法的可行性,为仿生机器鱼 水下长期服役的能源自给系统设计提供了参考．     

仿生机器鱼动力电源管理专家系统设计

提出一种基于专家系统控制策略,能监控电池充电、放电并实现电池单元自动切换控制的直流动力电源管理专家系统。该动力电源管理专家系统软件采用模块化设计,硬件采用光电隔离手段。将动力电源管理专家系统应用在SPC3-UUV仿生机器鱼平台上,试验结果表明该系统在机器鱼长航程巡游过程中运行良好,实现了电源的科学管理和实时控制,有效提高了可靠性。     

具有嵌入式视觉的仿生机器鱼头部的平稳性控制

具有嵌入式视觉的仿生机器鱼的摄像头往往安装在头部,为了获取稳定的图像数据,研究了游动过程中头部的平稳性控制问题.首先,基于牛顿-欧拉方法对仿生机器鱼的水动力学进行建模.然后,基于动力学模型,比较了两种鱼体波模型下的机器鱼头部摆动情况.进一步地采用遗传算法对输入到运动关节的参数进行优化,实现机器鱼头部的最小摆动.最后,在自主设计的具有嵌入式视觉的仿生机器鱼上进行了实验.结果表明,在平稳性控制后,头部的摆动幅度明显减小,采集到的图像的稳定性与连续性有较大改进,但游动速度有所降低.该方法为基于嵌入式视觉的运动控制与任务执行提供了有效保障.     

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.     

基于人工侧线的相邻仿生机器鱼感知研究

侧线系统是鱼类重要的感知器官,鱼类可以通过侧线器官实现对周围环境的感知,从而进行捕食、避敌以及一些群体行为.鱼类尾鳍摆动时会形成反卡门涡街,研究反卡门涡街对于仿生机器人的位姿和运动状态感知具有重要意义.以仿生机器鱼为平台、以侧线系统为依据,在机器鱼上实现人工侧线系统,当前方不同相对横向位置处机器鱼尾鳍摆动时,利用人工侧线实现对尾鳍摆动产生的反卡门涡街进行信息感知,从而间接识别机器鱼的相对横向位置,为群体机器鱼的相互感知提供了新思路.