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仿生机器鱼作为一种新型的水下机器人,具有广阔的应用前景,本文主要针对波动鳍推进仿生机器鱼的设计与控制,从仿生机器鱼的机构和控制电路设计、动力学建模、运动控制方法、自主避障和远程控制等几个方面展开研究工作,文章的主要内容如下:
首先,介绍了鱼类游动的特点和不同推进模式的分类,比较了不同推进模式应用于仿生机器鱼设计的优缺点,对波动鳍仿生机器鱼的研究现状、研究内容和研究方向进行了综述,并对本文的课题来源和结构安排进行了介绍。
其次,在波动鳍推进鱼类形态学和运动学的研究基础上,基于模块化的设计思想,按照本体与推进机构分离的设计方式,设计了波动鳍推进仿生机器鱼机构,并依据机器鱼推进机构的驱动和控制要求,设计了基于FPGA的控制电路,实现了多路电机的驱动与控制。
第三,由机器鱼波动鳍的结构和运动特点建立了波动鳍的运动学和动力学模型,分析了波动运动特征与波动鳍的运动形态和产生的推进力间的关系,在此基础上,由机器鱼运动时的受力情况建立了机器鱼的动力学模型,并分析了推进力和阻力对机器鱼运动的影响。
第四,从仿生机器鱼的机构和运动特点出发,提出了一种基于变结构中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG)模型的仿生机器鱼运动控制方法。借鉴波动鳍推进鱼类的运动模式分类,通过选择合适的CPG模型参数实现了机器鱼的六种运动模式,通过改变CPG模型的结构和参数实现了机器鱼在不同运动模式间的切换。
第五,通过在机器鱼本体上集成多个红外传感器,利用传感器的输入状态确定机器鱼的运动模式,实现了机器鱼的自主避障;通过环境中的视觉传感器设计了基于全局视觉的仿生机器鱼远程控制系统,利用机器鱼的实时运动图像识别出机器鱼的位置和方向,基于点到点的游动控制算法,实现了机器鱼的远程控制。
最后,对所开展的工作进行了总结,并指出了需要进一步研究的工作。