多鰭機器魚仿生協(xié)調控制及推進性能研究.pdf

1、魚類運動的研究給機器魚設計及發(fā)展提供了豐富的靈感來源。魚類的表現(xiàn)能夠提供一系列復雜的運動設計，涉及到用于產(chǎn)生運動力的多樣性的結構和與水生環(huán)境相互作用的多用途的運動模式。在復雜、不確定的水下環(huán)境中，水下機器魚能出色地完成湖海探測等有著重要應用前景的任務。由于具有機動性強、智能化高、適應性強和安全性好等優(yōu)勢，智能機器魚已經(jīng)逐漸成為完成水下任務的重要工具。
　　神經(jīng)生物學家研究表明，魚類游動所涉及的有節(jié)律的活動是由在脊椎層面的中央模式發(fā)

2、生器所產(chǎn)生的，其本質上可以看做是一個非線性振蕩神經(jīng)元產(chǎn)生的強大的網(wǎng)絡，能夠在沒有頂層有節(jié)律的輸入的情況下產(chǎn)生有節(jié)律的輸出。
　　本文設計了兩款新穎的雙尾鰭機器魚，在保持快速游動的優(yōu)勢之外，大大消除了單尾鰭機器魚在前進時左右搖晃的弊端。第一代機器魚研究重點主要在于用CPG控制網(wǎng)絡實現(xiàn)其各種機動動作的平滑過渡，而對于第二代雙尾鰭機器魚的重點則在于建立一個可靠高效的水動力學建模。本論文的的主要研究內容及成果如下所示:(1)雙尾鰭機器魚的

3、系統(tǒng)設計。在結合多矢量推進的胸鰭和雙尾鰭的基礎上，設計了第一代雙尾鰭機器魚DualFish-Ⅰ，其靠前的胸鰭負責胸鰭前進后退及其他機動動作，而尾鰭則負責快速巡航。與第一代機器魚不同，第二代機器魚DualFish-Ⅱ采用單一大功率Maxon電機控制兩個尾鰭能夠精確同步相向擺動，實驗最高頻率能夠達到6Hz，滿足設計要求。
　　(2)CPG神經(jīng)控制網(wǎng)絡的建立。從原始的神經(jīng)元振蕩方程開始，詳細的推導了CPG控制網(wǎng)絡模型的構建，并結合第一代

4、雙尾鰭機器魚DualFish-Ⅰ的運動特性，建立了與之相匹配的神經(jīng)控制網(wǎng)絡，最后將獲取的紅外傳感器反饋模擬量轉換為距離值，傳遞給CPG控制網(wǎng)絡中的反饋部分，初步實現(xiàn)機器魚在垂直面的自主避障功能。
　　(3)水動力學建模。以剛性分段理論為基礎，結合無粘性和無壓縮性的準穩(wěn)態(tài)的假設，對剛性和柔性單尾鰭進行了充分的理論建模，初步獲得柔性尾鰭在若干擺動周期內的推進力。
　　(4)雙尾鰭機器魚的機動性能及推進性能實驗測試。以雙尾鰭機器魚

5、DualFish-Ⅰ和DualFish-Ⅱ為實驗對象，開展了各種機動性能（前進后退、上浮下潛、翻滾轉彎和前后空翻等）測試實驗以及快速推進性能實驗，在選用較小功率的舵機情況下，第一代機器魚具有非常出色的高速特性，使用雙尾鰭擺動推進的最高速度能夠達到0.54m/s，約1.21BL/s，而用胸鰭推進所達到的最高巡航速度可達0.35m/s，約0.8BL/s。第二代雙尾鰭機器魚具有較高的加速性能，最大加速度約能達到0.7m/s2，同時DualFi