胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式機(jī)器魚(yú)深度控制.pdf

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1、2015年5月第41卷第5期北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2015Vol_41No．5http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0331胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式機(jī)器魚(yú)深度控制馬宏偉，畢樹(shù)生，蔡月日+，牛傳猛(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)摘要：提出一種基于專家PID和模糊控制的雙閉環(huán)深度控制方法，用于實(shí)現(xiàn)胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式機(jī)器魚(yú)的定深控制．通過(guò)控制機(jī)器魚(yú)的尾舵擺動(dòng)角度，

2、可以使機(jī)器魚(yú)產(chǎn)生一定的俯仰力矩，從而改變機(jī)器魚(yú)的俯仰姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)上浮或下潛運(yùn)動(dòng)．給出了機(jī)器魚(yú)的相關(guān)定深實(shí)驗(yàn)，并分析了不同目標(biāo)深度下俯仰角度初始變化范圍存在差異的原因．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的定深控制方法能夠使機(jī)器魚(yú)比較準(zhǔn)確地穩(wěn)定在目標(biāo)深度，以及能夠改善機(jī)器魚(yú)到達(dá)目標(biāo)深度后穩(wěn)態(tài)游動(dòng)時(shí)的俯仰穩(wěn)定性，能夠較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的深度控制．關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器魚(yú)；擺動(dòng)推進(jìn)；模糊控制；深度控制；俯仰穩(wěn)定中圖分類號(hào)：TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001．5965(2015)05-0885-06經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的自然選擇與環(huán)境適應(yīng)過(guò)程，自然界的生物形成了近乎完美的身體結(jié)構(gòu)，也發(fā)展出了相應(yīng)的高效運(yùn)動(dòng)方式，尤其是魚(yú)類利用流

3、體獲得動(dòng)力的能力更是令人嘆為觀止¨。31．魚(yú)類在推進(jìn)效率、機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性等方面技能卓越．其游動(dòng)尾跡少、高度適應(yīng)復(fù)雜水環(huán)境并利用周圍流體降低能耗的特點(diǎn)，對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有水下潛器的推進(jìn)性能和研制穩(wěn)定、高效、隱蔽、機(jī)動(dòng)的新型水下航行器有重要的啟發(fā)作用H?．按照魚(yú)體結(jié)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)制的不同，魚(yú)類游動(dòng)推進(jìn)模式可以分為身體／尾鰭推進(jìn)模式(Bodyand／orCaudalFin，BCF)和中央鰭／對(duì)鰭模式(Me．dianand／orPairedFin，MPF)2類”1．BCF推進(jìn)模式主要由魚(yú)體或尾鰭的波動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，胸鰭多起到輔助推進(jìn)或掌控平衡與方向的作用¨1．MPF推進(jìn)模式，以胸鰭或腹鰭為推進(jìn)力主要來(lái)源，通過(guò)改

4、變鰭的波形、波動(dòng)幅度、頻率以及兩側(cè)鰭上運(yùn)動(dòng)波的相差來(lái)控制推進(jìn)力及轉(zhuǎn)彎力矩舊J．相比尾鰭推進(jìn)模式，胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式魚(yú)類具有良好的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和較小的環(huán)境擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)舊。1“．而基于此推進(jìn)原理的仿生機(jī)器魚(yú)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)近乎零半徑轉(zhuǎn)彎及后退等高機(jī)動(dòng)性能，此類仿生機(jī)器魚(yú)的研究已經(jīng)得到了各國(guó)科研工作者的重視¨2?！?．胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式機(jī)器魚(yú)具有扁平的機(jī)體，因此具備良好的穩(wěn)定性．通過(guò)控制機(jī)器魚(yú)的尾舵單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的上浮和下潛運(yùn)動(dòng)．本文中，以實(shí)現(xiàn)胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式機(jī)器魚(yú)的定深控制為主要目的，同時(shí)對(duì)不同深度下的機(jī)器魚(yú)俯仰角度變化進(jìn)行了分析．機(jī)器魚(yú)處于水下環(huán)境時(shí)，其運(yùn)動(dòng)控制涉及到流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題．因此機(jī)器魚(yú)成為

5、一個(gè)非線性的復(fù)雜控制對(duì)象．研究人員難以建立數(shù)學(xué)模型對(duì)機(jī)器魚(yú)進(jìn)行精確控制．而模糊控制可以有效實(shí)現(xiàn)人的控制策略和經(jīng)驗(yàn)，并且不需要確定被動(dòng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)較好的控制．模糊控制方法已經(jīng)被比較廣泛地用于機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制，并獲得了較好的運(yùn)動(dòng)性能¨?！?．因此本文基于模收稿日期：2014-06-06；錄用日期：2014-07-25；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-09-0516：42網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0331．html基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51205011)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013T60049)作

6、者簡(jiǎn)介：馬宏偉(1987一)，男，吉林安圖人，博士研究生，mahongweil987@yeah．net+通訊作者：蔡月日(1983一)，男，河北承德人，講師，caiyuefi2008@126．COB，主要研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)構(gòu)、仿生魚(yú)、柔性機(jī)構(gòu)．引用格式：馬宏偉，畢樹(shù)生，蔡月日，等．胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式機(jī)器魚(yú)深度控制fJJ．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41p)：885—890．MaHW，BiSS，CaiYR，eta1．Depthcontrolofroboticfishpropelledbyoscillatingpairedpectoralfins[JJ．JournalofBeijingUniv

7、ersityofAeronauticsandAstronautics，2015，4Jf5)：885—890(inChinese)．886北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)糊控制理論，建立模糊控制器，用于對(duì)機(jī)器魚(yú)的俯仰姿態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)建立專家PID控制器，用于根據(jù)深度誤差生成期望的俯仰角度信號(hào)．2種控制器構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的定深控制．在北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所的實(shí)驗(yàn)泳池進(jìn)行了相關(guān)定深實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器魚(yú)能夠較快地