仿鲹科机器鱼胸鳍尾鳍协同推进运动控制方法研究

作     者：夏文卿 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宗刚

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：仿生机器鱼 中枢模式发生器 定深控制 模糊控制 目标跟踪 

摘      要：为使仿鲹科机器鱼具有应对复杂任务的不同游动能力,运动控制问题一直以来是仿鲹科机器鱼领域的研究热点。而现有仿鲹科机器鱼的运动控制研究多集中在身体与尾鳍推进模式下的研究,而对胸鳍尾鳍协同推进下的运动控制研究较少。本文基于实验室自主研发的仿鲹科机器鱼平台,在胸鳍尾鳍协同推进模式下,对仿鲹科机器鱼的运动控制问题做了以下研究。(1)针对仿生机器鱼运动控制中的鲁棒性问题,采用中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG)中的Hopf振荡器模型建立了机器鱼各关节CPG控制器,通过耦合矩阵与旋转矩阵构建了CPG控制网络。通过仿真与实验相结合的方法确定了机器鱼实现基本游动模式时的CPG参数。仿真结果与实验结果同时表明,在所建CPG网络的控制下,机器鱼游动模式具有较好的鲁棒性。(2)为兼顾定深过程中的动态性能与稳态性能,结合已建立的CPG网络,将机器鱼的定深过程分为趋近阶段与巡游阶段,分别设计了模糊控制器,实现了机器鱼的定深控制。在趋近阶段使用趋近模糊控制器实时调整胸鳍CPG参数,采用胸鳍尾鳍协同运动以快速接近期望深度。在巡游阶段采用巡游模糊控制器改变胸鳍攻角使机器鱼保持在期望深度,减少稳态误差。通过仿真与实验,验证了所采用方法的有效性,并且通过与其它机器鱼定深控制方法对比,显示了所设计控制器的性能有所提高。(3)将机器鱼跟踪水下固定目标问题分解为探测阶段与接近阶段,完成了机器鱼从寻找目标到接近目标的跟踪控制。在探测阶段,利用已完成的定深控制,采用分层探测的方法找寻目标,相比于其他探测方法,此方法虽然探测效率不高,但是简化了控制器。在发现目标后的接近阶段,采用两个并行的模糊控制器同时控制机器鱼的偏航与俯仰使其接近目标。仿真结果表明了所采用跟踪方法的有效性。