多鰭機(jī)器魚仿生協(xié)調(diào)控制及推進(jìn)性能研究.pdf

1、魚類運(yùn)動的研究給機(jī)器魚設(shè)計及發(fā)展提供了豐富的靈感來源。魚類的表現(xiàn)能夠提供一系列復(fù)雜的運(yùn)動設(shè)計，涉及到用于產(chǎn)生運(yùn)動力的多樣性的結(jié)構(gòu)和與水生環(huán)境相互作用的多用途的運(yùn)動模式。在復(fù)雜、不確定的水下環(huán)境中，水下機(jī)器魚能出色地完成湖海探測等有著重要應(yīng)用前景的任務(wù)。由于具有機(jī)動性強(qiáng)、智能化高、適應(yīng)性強(qiáng)和安全性好等優(yōu)勢，智能機(jī)器魚已經(jīng)逐漸成為完成水下任務(wù)的重要工具。
　　神經(jīng)生物學(xué)家研究表明，魚類游動所涉及的有節(jié)律的活動是由在脊椎層面的中央模式發(fā)

2、生器所產(chǎn)生的，其本質(zhì)上可以看做是一個非線性振蕩神經(jīng)元產(chǎn)生的強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，能夠在沒有頂層有節(jié)律的輸入的情況下產(chǎn)生有節(jié)律的輸出。
　　本文設(shè)計了兩款新穎的雙尾鰭機(jī)器魚，在保持快速游動的優(yōu)勢之外，大大消除了單尾鰭機(jī)器魚在前進(jìn)時左右搖晃的弊端。第一代機(jī)器魚研究重點(diǎn)主要在于用CPG控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)其各種機(jī)動動作的平滑過渡，而對于第二代雙尾鰭機(jī)器魚的重點(diǎn)則在于建立一個可靠高效的水動力學(xué)建模。本論文的的主要研究內(nèi)容及成果如下所示:(1)雙尾鰭機(jī)器魚的

3、系統(tǒng)設(shè)計。在結(jié)合多矢量推進(jìn)的胸鰭和雙尾鰭的基礎(chǔ)上，設(shè)計了第一代雙尾鰭機(jī)器魚DualFish-Ⅰ，其靠前的胸鰭負(fù)責(zé)胸鰭前進(jìn)后退及其他機(jī)動動作，而尾鰭則負(fù)責(zé)快速巡航。與第一代機(jī)器魚不同，第二代機(jī)器魚DualFish-Ⅱ采用單一大功率Maxon電機(jī)控制兩個尾鰭能夠精確同步相向擺動，實驗最高頻率能夠達(dá)到6Hz，滿足設(shè)計要求。
　　(2)CPG神經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)的建立。從原始的神經(jīng)元振蕩方程開始，詳細(xì)的推導(dǎo)了CPG控制網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，并結(jié)合第一代

4、雙尾鰭機(jī)器魚DualFish-Ⅰ的運(yùn)動特性，建立了與之相匹配的神經(jīng)控制網(wǎng)絡(luò)，最后將獲取的紅外傳感器反饋模擬量轉(zhuǎn)換為距離值，傳遞給CPG控制網(wǎng)絡(luò)中的反饋部分，初步實現(xiàn)機(jī)器魚在垂直面的自主避障功能。
　　(3)水動力學(xué)建模。以剛性分段理論為基礎(chǔ)，結(jié)合無粘性和無壓縮性的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的假設(shè)，對剛性和柔性單尾鰭進(jìn)行了充分的理論建模，初步獲得柔性尾鰭在若干擺動周期內(nèi)的推進(jìn)力。
　　(4)雙尾鰭機(jī)器魚的機(jī)動性能及推進(jìn)性能實驗測試。以雙尾鰭機(jī)器魚

5、DualFish-Ⅰ和DualFish-Ⅱ為實驗對象，開展了各種機(jī)動性能（前進(jìn)后退、上浮下潛、翻滾轉(zhuǎn)彎和前后空翻等）測試實驗以及快速推進(jìn)性能實驗，在選用較小功率的舵機(jī)情況下，第一代機(jī)器魚具有非常出色的高速特性，使用雙尾鰭擺動推進(jìn)的最高速度能夠達(dá)到0.54m/s，約1.21BL/s，而用胸鰭推進(jìn)所達(dá)到的最高巡航速度可達(dá)0.35m/s，約0.8BL/s。第二代雙尾鰭機(jī)器魚具有較高的加速性能，最大加速度約能達(dá)到0.7m/s2，同時DualFi