仿生机器鱼作为一种高科技水下探测器,在海洋资源勘测、水质监测、海上侦察、水下考古等水环境探索开发应用领域,具有得天独厚的优势。目前,机器鱼的控制方法主要有鱼体波拟合法、正弦波控制和中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG)。论文以黑鲈鱼为原型设计了一种模块化的仿生机器鱼,主体结构由各功能模块拼装而成,每个功能模块可单独封装互不影响,除了直游、转弯等基本运动姿态外还可实现上浮运动、下潜运动等一系列复杂的水下运动姿态。运用了CPG控制方法来实现机器鱼的基本运动,结合悬浮状态控制器,并通过参数调整实现了机器鱼的灵活控制,具有运动切换柔顺性强、机动性强的特点。主要内容如下:(1)以黑鲈鱼为仿生对象,基于模块化思想设计了一种可实现浮潜运动的仿生机器鱼。模块化设计使机器鱼具有扩展性强、拆卸方便、密封性能好的特点,灵活搭载不同功能的舱室实现不同环境的要求。机器鱼主体由浮潜模块、胸鳍模块、控制模块、尾鳍模块组成,各个模块都由单独的密封舱室构成。胸鳍模块和尾鳍模块提供动力,控制模块承担了硬件和电源的封装,浮潜模块由直流电机驱动器、水泵、电磁阀、吸排水舱四个部分组成,可实现机器鱼的配重调节和悬浮控制。外壳采用分块拼装的结构,外壳与机器鱼模块之间的空间和外界水域连通,利用水介质进入壳体与机器鱼模块之间达到减小质量体积比的目的,从而节省了电量增大了续航能力。(2)建立了仿生机器鱼的CPG运动学模型,结合MPF与BCF模式的特点,分别对胸尾鳍运动模态进行了分析。结合CPG控制方法来控制二自由度胸鳍和单关节尾鳍运动,实现了机器鱼的直游、转弯等的基本运动和各运动模态的切换,包括胸尾鳍协同推进直游、半径转弯,胸鳍推进下的原地转弯、倒游,直游转弯运动的切换。通过改变CPG相关参数来改变转弯半径、游动速度等,CPG的控制方法可实现运动模态的柔顺切换,稳定性更佳。(3)通过动力学分析,对机器鱼CPG控制参数进行调整和改进。设计了悬浮状态控制器,实现了机器鱼所受重力与浮力的平衡,使得机器鱼能够在水中处于悬浮状态,在此基础上利用改变胸鳍攻角的方法来实现机器鱼上浮下潜运动。实验结果表明,机器鱼能够在水中进行复杂灵活的运动,具有很好的机动性能。