仿生机器鱼设计、控制与自主避障研究.pdf

中国科学院自动化研究所
硕士学位论文
仿生机器鱼设计、控制与自主避障研究
姓名:张志刚
申请学位级别:硕士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:谭民
20040501
摘要仿生机器鱼是当前仿生机器人领域的研究热点。鱼类特殊的游动方式,为计、上浮下潜实现技术、运动控制技术,以及装备传感器的机器鱼系统设计等件和实现方法的约束,对机器鱼进行系统设计,开发了多关节仿生机器鱼设计平台,并且通过机器鱼样机的研制验证了该设计软件的有效性。为了实现仿生机器鱼的上浮下潜运动,针对已有的机器鱼样机,在综合比较多种方案基础上,采用附加胸鳍方式实现对机器鱼的上浮下潜运动控制。根据流体力学分析设计了仿生胸鳍,确定了几何参数。同时,对机器鱼水下运动过程中出现的问题进行了探讨,实验结果证明了机器鱼样机设计方案的有效性。在仿生机器鱼机动性研究方面,结合机器鱼的身体特点和控制方式,本文机器鱼样机上进行了实验验证。为了使机器鱼具备一定的自主能力,本文对基于多传感器的智能机器鱼系统设计开展了研究,为智能机器鱼设计了传感器网络,提出了智能机器鱼的系统结构,并在基于红外传感器的机器鱼系统上进行了实验。关键词:仿生机器鱼,上浮下潜运动,运动控制,智能机器鱼研究高性能的水下推进器提供了新思路。仿生机器鱼的研制是一个多学科交叉问题。在国家高技术研究发展计划计划魅思际踔魈庀钅俊岸辔⑿⌒仿生机器鱼群体协作与控制的研究”的支持下,本文从多关节仿生机器鱼的设多方面开展研究工作。在借鉴国内外研究工作的基础上,根据鱼类游动的特点,提取鱼类的形体参数和运动参数,简化并改进了鲣科鱼类的运动学模型。同时,根据实际元器从速度控制、方向控制和瞬时游动控制等方面给出了几种运动控制方法,并在
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蕴轰鱼』关于论文使用授权的说明签名:独叁型独创性声明日期:鲨堂核工一似人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献本人完全了解中国科学院自动化研究所有关保留、使用学位论文的规定,即:中国科学院自动化研究所有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;本人声明所成交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他均己在论文中作了明确地说明并表示了谢意。可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。C艿穆畚脑诮饷芎笥ψ袷卮斯娑日期导师签名签名:
第一章绪论引言用于生产制造领域。为了提高机器人的性能,科学家们结合计算机、传感器、生物科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而产生的仿生学为机器人的发展人作为机器人领域新的研究热点之一,逐渐展示出其突出的工作能力。当前仿生机器人已经广泛应用于非制造业领域,如宇宙探测、线路检修、军事、服务、进化出了非凡的水中生存能力。它们既可以在高速游动中保持低能耗、高效率,也可以在瞬时游动中实现高机动性。和普通的螺旋桨驱动的推进器相比较,鱼类依靠身体和鳍的协调摆动,在游动效率和游动机动性方面都要远胜于普通推进器。资料显示普通鱼类的游动推进效率可达%以上,鲣科鱼类的推进效率速度跟随船只游弋,黄鳍鲔鱼的速度可达节,接近每小时公里以上;梭子鱼可以用募铀俣妊杆倨鸲绰尤×晕铩M保憷嗫裳杆俚匾灾挥%ヌ宄ぞ嗬胛WM浒刖独幢浠恍薪较颍话愦靶枰倍体长的半径缓慢地回转【,.。正是鱼类的这种高效、快速、机动灵活的水下推进方式,可能会给未来航行推进带来技术性的变革,吸引了生物学家对鱼类的运动机理和游动特性展开深入的研究,机器人学者则希望模仿鱼类推进方式制造出机器人技术在经历了半个多世纪的发展后,各式各样的机器人已经广泛应自动控制以及人工智能等技术,不断探索新型机器人的设计与实现方法。作为提供了新思路。人们通过学习、模拟和复制生物系统的结构、功能、工作原理和控制机制来改进现有系统,增强系统的功能,提高系统的稳定性。仿生机器娱乐等领域【鱼类作为海洋生物中数量最多的脊椎动物,经历了亿万年的自然选择过程,超过%,而普通推进器的平均效率只有%一%;海豚可轻易地以节的高性能的水中运载器和人工机器鱼。从年的“分类方法”¨甑摹癎B邸盵,到年岢鲇憷嗌硖宀ǖ牟ǘ匠痰氖枋觥浚淮曷槭±砉ぱг晒ρ兄瞥鍪澜缟系谝惶跽嬲庖迳系姆律饔鉡,到当前国内外多家研究机构都不断研制出新型的人工机器鱼,人类在不断追求和探索高性能的
仿生机器鱼研究的目的和意义航运工具。当前,在仿生学、材料科学、控制科学等学科的推进下,新型的仿水生物观察以及军事探测和排雷布雷等方面发挥作用,因此开展仿生机器鱼的由于仿生机器鱼的研究是多学科交叉问题,涉及到仿生学、机器人学、流体力学和控制科学,已有的机器人研究成果中对仿生机器鱼的研究所能提供的理