胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制

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1、2015年11月第41卷第11期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsNovember2015V01．41No．11http：f}bhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0748胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制宫昭，蔡月日+，毕树生，马宏伟(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)摘要：针对胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制研究的实际需求，提出了一种基于中枢模式发

2、生器(CPG)的模糊控制方法．通过模仿生物原型的胸鳍摆动规律，得到一种可以驱动机器鱼滚转运动的胸鳍摆动方式，并通过定义相关参数将其量化表达．基于胸鳍摆动CPG模型，建立模糊控制器，用于机器鱼的滚转机动控制．进行了机器鱼的滚转运动实验并对实验结果进行了详细分析。实验结果表明，机器鱼能以最快10(。)／s的角速度达到目标滚转角度，而且稳态误差不超过±5。．通过滚转机动控制，并配合航向控制，实现了胸鳍摆动推进的机器鱼以90。滚转角穿越宽度为翼展I／2的狭窄空间的高机动性运动．关键词：仿生机器鱼；摆动推进；中枢模式发生器(CPG)控制；模糊控制；滚转机动中图分

3、类号：TP24文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)11．2184-07鱼类经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的游动能力，在游动速度、效率、机动性等各个方面表现近乎完美¨。，这也吸引着研究人员通过仿生的方式来提高水下机器人的性能嵋⋯．多数鱼类通过弯曲身体产生从前往后的运动波，一直延伸到尾鳍，这种游动方式被称为身体／尾鳍(Bodyand／orCaudalFin，BCF)模式，另外一些鱼类则通过摆动胸鳍或者中间鳍的方式来游动，这种方式则被称为中间鳍／对鳍(Medianand／orPairedFin，MPF)模式”o．与BCF模式相比，在仿生

4、机器鱼研究上，MPF模式在机动性与稳定性上具有更大的优势”。7J．牛鼻鲼，作为MPF模式鱼类的一种，在机动性与稳定性方面优势明显．仿生牛鼻鲼机器鱼与其仿生原型一样，具备宽大的胸鳍，通过对胸鳍摆动运动的控制，可以实现机器鱼在航向、俯仰与滚转3个方向上的高机动可控游动．胸鳍摆动推进机器鱼一般通过两侧胸鳍的不对称(振幅或相位差不同)摆动¨1产生偏航扭矩以实现航向控制；俯仰控制则是通过尾鳍摆动产生俯仰力矩实现H。．但是较少有学者研究机器鱼的滚转机动控制．滚转机动控制对机器鱼抵抗水流扰动能力以及特殊工作环境(如机器鱼水下探测时，需要穿过废墟中的狭缝，机器鱼可以调

5、整自身的滚转角，使腹部平面与狭缝平行，进而在沿狭缝宽度方向上所占尺寸最小，便于自身通过)下的避障能力都至关重要．本文给出了一种基于中枢模式发生器(Cen．tralPatternGenerator，CPG)的模糊控制方法，用于实现胸鳍摆动推进机器鱼的滚转机动控制．在北京航空航天大学人工泳池进行了相关滚转游动的实验．实验结果表明，机器鱼能够快速达到并稳定在目标滚转角度，由此证明了本文提出的滚转控制方法的有效性．收稿日期：2014—12-01；录用日期：2015433-06；网络出版时间：2015一03-3114：54网络出版地址：www．cnki．net／

6、kcms／detail／11．2625．V．20150331．1454．005．html基金项目：国家自然科学基金(51205011)；北京航空航天大学基本科研业务费专项资金(YwF一14一RSC一107)作者简介：宫昭(1990一)，男，山东济南人，硕士研究生，gongzhao@126．com*通讯作者：蔡月13(1983一)，男，河北承德人，讲师，caiyueri@me．buaa．edu．cn，主要研究方向为仿生机构、仿生鱼、柔性机构．引甩格式：官昭，蔡冠日，毕树生，等．胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制I

7、]．北京航空航天大学学报，2015，41(1

8、1)：2184—2190．GongZ，CalYR，BiSS，eta1．Rollmaneuvercontrolofroboticf／shpropelledbyoscillatingpectoralfinslj3．JournalofBeOingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41fJ1)：2184—2190(inChinese)．1机器鱼机械结构及控制系统胸鳍摆动推进机器鱼样机的机构简图如图1所示，样机由中间基体，胸鳍单元以及尾鳍单元构成．左右两侧胸鳍各由3根鳍条构成，尾鳍由2根鳍条构成．两侧胸鳍的中

9、间鳍条(鳍条2与鳍条4)分别具有一个转动关节，转动关节连接一根碳纤维鳍条，然后通过弹簧分别与前