基于BK乘积算法的仿生机器鱼避障控制方法与实现

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本文以自行研制的仿生型机器鱼为平台,针对仿生机器鱼的自主避障功能展开工作。着重阐述了三个部分:仿生机器鱼系统总体设计,模糊控制策略与BK乘积关系,以及如何实现仿生机器鱼的自主式避障。在系统总体设计部分,详细给出了仿生机器鱼的软硬件结构以及核心传感器,分析其航行过程尾鳍的调整过程,说明为何采用模糊的控制理念。详细分析了用于环境障碍物检测的单波束声呐的工作机制,说明其在收集环境信息时的工作原理。在给出模糊控制策略与BK乘积关系时,着重给出了二者的基本定义,以及两者之间的转换关系。由于无法构建仿生机器鱼运动的精确数学模型,本文使用模糊控制策略来设计机器鱼的避障控制。把声呐检测范围作为模糊控制的论域,划分成多个子部分,作为机器鱼候选航向,计算各部分与环境属性之间的模糊关系,采用Bandler和Kohout提出的三角子积来进行模糊计算。论文通过两个仿真实例,详细说明算法的具体实现流程,如何选取仿生机器鱼航向调整和继承航向。为了验证本文提出的启发式算法的性能,分别设置了仿真测试以及水池测试。仿真测试阶段,假定航行起始点为S,声呐探测长度为2m,声呐探测角度为60°。在同样参数下建立了四种场景:无障碍物场景,单障碍物场景,双障碍物场景,“U”形夹角障碍物场景,通过分析仿生鱼的航行过程以及局部放大效果,说明了文中提出的基于BK三角子积的模糊关系策略,能够安全有效的实现仿生鱼的自主避障控制。为了观察实际航行效果,设置了水池测试实验,在10m×35m的实际水池中,同样设置了四种航行场景:自由航行,单障碍物航行,双障碍物航行以及“U”形夹角障碍物航行,观察仿生鱼是否能够安全有效的避开障碍物。通过仿真实验以及水池实验,可以得出基于BK三角子积模糊关系的启发式避障策略,能够有效实现仿生鱼的自主避障控制。
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