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1、第28卷第1期吉林化工学院学报Vo.l28No.12011年1月JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGYJan.2011文章编号:10072853(2011)01005504基于平均理论的仿生机器鱼航行控制技术研究12张虹,陈玲玲(1.东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012;2.吉林化工学院信息与控制工程学院,吉林吉林132012)摘要:基于近年来发展的平均理论,针对带有漂移项的鲹科形机器鱼设计了镇定反馈控制器.通过使用振荡控制输入和在整个振荡周期保持常值的误差信号构成反馈控制.仿真结果表明,所设
2、计的控制器是可行的,使鲹科形机器鱼能够较好地完成任务.关键词:平均理论;镇定反馈控制;鲹科形机器鱼中图分类号:TP242.6文献标志码:A仿生机器鱼是利用鱼类游动推进机理,通过的大尾鳍和联接两者的细连杆组成.3个刚性的机械、电子结构或功能材料来模拟鱼类的推进动组成部分由转动关节联在一起,关节的旋转角度作,实现水下运动的装置,具有效率高、机动性好、分别为1和2,如图1所示.噪音低,对环境扰动小等优点.鱼类的形态及运动形式有多种,其中鲨鱼、金枪鱼等鲹科形鱼类采用的推进模式是效率最高、速度最快的推进模式.鲹科形鱼类典型地具有大展弦比的尾鳍,游动主要是靠身体的后1/3部分和
3、尾鳍的摆动推进,身体的前2/3部分保持相对静止.这种推进模式被认为是未来水下航行器的最终设计目标,主要对鲹图1简化的3关节鲹科形机器鱼模型[12]科形机器鱼的推进方式进行研究.鲹科形机器鱼是欠驱动机械系统,它的控制参照Caltech的建模思想,在建模过程中忽略了三维效应,假设新月形尾鳍可以看作是一块矩方程是高度非线性的.这就对鲹科形机器鱼的控形的平板,运用稳流两维机翼理论对尾鳍进行制方法提出了非常高的要求,通常鲹科形机器鱼受力分析,尾鳍将受到一个水动力升力的作用.忽动力学模型线性化是不可控的,因此线性反馈控略连接在鱼身和尾鳍的细连杆上的水动力,刚性制不适用于仿生机器鱼的设计.
4、本文将平均理论身体的前部将受到一个与之速度方向相反,大小应用到鲹科形机器鱼系统的数学模型中,设计了与速度的平方成正比的阻力.镇定反馈控制器,使鲹科形机器鱼沿着预定的轨迹运动.令Je为指向尾鳍前缘方向的单位向量,在与鱼体主轴成一直线的坐标系下,则:1鲹科形机器鱼的运动学模型le=-(cos2,sin2,0).(1)沿着纵轴与横轴,鱼体的瞬时移动速度分别把真实的鲹科形鱼类简化为一个具有3个关为x和y,瞬时转动速度为,令vqc为尾鳍四分之节的理想模型,由前部刚性的鱼体、后部类似机翼一弦长处的速度:x-((lpsin1+(lt/4)sin2)-1lpsin1-
5、2(lt/4)sin2vqc=y+((lpcos1+(lt/4)cos2)+1lpcos1+2(lt/4)cos2,(2)0收稿日期:20101110作者简介:张虹(1973),女,吉林省吉林市人,东北电力大学副教授,主要从事非线性控制理论及应用等方面的研究.56吉林化工学院学报2011年式中:lp:细连杆的长度;lt:尾鳍的长度.中,进一步改写表示为:应用LuttaJoukowski定理,并假设尾鳍是在q=S(q,q)+Y0(q)q-D(q)q+Ya(q)(1/)a准稳流中以薄板
6、1/4弦长处的瞬时速度游动,则v(t/),(9)-1作用在尾鳍上的升力为:式中:S(q,q)=-M(q)C(q,q)q,Y0(q,q)表示mL=sign(cos(arglle-argvqc))A(vqcle)M-1(q)Ya(q)ua(t)的时不变部分,而Ya(q)a=1vqc,(3)-1表示时变部分,D(q)q=M(q)E(q,q)q.这种分式中:A:平板的表面积;:流体密度.解将直接可控状态和不直接可控状态进行了明显作用在1/4弦长处的转矩为:2地区分.lf2n=-(xmymcos(22)+令x=[q,q]R,定
7、义:4q01(y22S(x)=,Y0(x)=,2m-xm)sin(22)),(4)S(q,q)Y0(q,q)式中:xm,ym为尾鳍中点的速度.00Ya(x)=,D(x)=.(10)在纵摇和升沉方向的阻力近似等于身体阻力Ya(q)D(q)q在速度方向的投影.对应着角速度旋转,增加的速鲹科形机器鱼数学模型的一阶齐次形式为:a度与位置有关,必须对平板的整个阻力积分.绕距x=S(x)+Y0(x)-D(x)+(1/)Ya(x)v离平板一
