基于CPG的自主机器鱼运动控制研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:ivy1128
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随着科学技术的发展,人们在开发和利用陆地资源的基础上,将目光投向了占地球面积71%的海洋。作为探索海洋的重要工具,水下仿生机器鱼成为研究的热点之一,科研工作者在机器鱼的仿生推进机构设计、运动控制、水动力学分析等方面做了大量工作。根据推进方式的不同,机器鱼可分为身体/尾鳍推进方式(Body and/or Caudal fin Propulsion mode,BCF)和中央鳍/对鳍推进方式(Media and/or Paired fin Propulsion mode,MPF)。其中,针对机器鱼的基本游动行为控制问题,已经取得了较多的结果。本文针对动态水环境中自主仿生机器鱼的运动控制问题展开研究,以提升其在复杂水环境中完成任务的能力。主要工作内容如下:1.系统总结了仿生机器鱼的研究进展。针对鱼类游动机理、仿生推进机构设计、运动控制技术、能源供给和水下通信技术等内容,系统分析了机器鱼领域的研究进展和存在的主要问题,在此基础上,从工程应用和性能提升两个方面,讨论了机器鱼领域未来的研究方向和发展趋势。2.基于中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG)模型,设计了一种仿生机器鱼运动控制器。机器鱼胸鳍的每个自由度都由一个CPG控制,在摆动幅值和CPG之间相位关系确定的前提下,通过改变CPG单元的拍打频率,实现了对机器鱼游动速度的控制。3.给出了机器鱼的动力学模型,分析了其水动力学特性。在此基础上,设计了一种基于速度反馈的闭环控制方案,对各CPG单元的频率进行调节,实现了对期望运动速度的跟踪,仿真结果表明了算法的有效性。此外,论文研究结果表明,机器鱼游动性能的提升,一方面取决于柔性或变阻抗等功能上更接近鱼类的推进机构的设计,另一方面取决于对鱼类游动机理的进一步理解和运动控制方法的改进。这些领域的进展将为机器鱼的工程应用提供重要的支撑。
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