线驱动仿生机器鱼设计与运动控制

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越来越多的人开始关注海洋资源的开发与利用,水下机器人技术是海洋资源开发利用的重要基础,各大海洋大国非常重视水下机器人的研究,仿生机器鱼便是水下机器人中重要的一类,是未来水下机器人发展的一个重要方向。鱼类经过长时间的进化已经具备了非常高效的推进方式,文章中的线驱动仿生机器鱼是以鯵科加月牙形尾鳍鱼类为设计原型,这类外形的仿生机器鱼有着推进效率高、可控性良好和较快的推进速度等优点,但是目前的仿生机器鱼所展示出的游动性能还远远比不上生物鱼,尤其是水下通信问题还亟待解决。本文首先介绍仿生机器鱼研究方面的背景,在此基础上,根据当前国内外有关仿生机器鱼和线驱动方面的研究特点和研究内容,开展相关方面的研究计划。其次通过对鯵科加月牙形尾鳍鱼类游动机理的研究分析,设计出了基于STC12C5A60S2单片机的控制系统,由一个电机驱动的六尾节线驱动机器鱼,并且采用模拟鱼鳔功能的气囊来实现仿生机器鱼的升潜。然后建立了参数化的尾鳍运动的数学模型,并且对其运动模型进行了运动学与动力学分析。最后对线驱动仿生机器鱼进行实验,通过设置不同的舵机转幅和转动速度,得到机器鱼尾鳍的不同摆动频率和摆动幅度,为线驱动仿生机器鱼的动力学建模提供理论基础,制作了线驱动仿生机器鱼样机和控制系统,用于进一步分析研究线驱动仿生机器鱼的动力学和运动学性能。进行了遥控控制仿生机器鱼实现直线前进、转弯和升潜的动作实验,分析出仿生机器鱼直线游动速度与摆尾角度和摆尾频率之间的关系,得出仿生机器鱼游动的最优摆尾角度和摆尾频率,为后续的研究和实际应用提供理论信息。
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