胸鳍摆动推进模式机器鱼深度控制.pdf

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1、2015年5月第41卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2015Vol_41No．5http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0331胸鳍摆动推进模式机器鱼深度控制马宏伟，毕树生，蔡月日+，牛传猛(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)摘要：提出一种基于专家PID和模糊控制的双闭环深度控制方法，用于实现胸鳍摆动推进模式机器鱼的定深控制．通过控制机器鱼的尾舵摆动角度，

2、可以使机器鱼产生一定的俯仰力矩，从而改变机器鱼的俯仰姿态，实现上浮或下潜运动．给出了机器鱼的相关定深实验，并分析了不同目标深度下俯仰角度初始变化范围存在差异的原因．实验结果表明：本文提出的定深控制方法能够使机器鱼比较准确地稳定在目标深度，以及能够改善机器鱼到达目标深度后稳态游动时的俯仰稳定性，能够较好地实现机器鱼的深度控制．关键词：仿生机器鱼；摆动推进；模糊控制；深度控制；俯仰稳定中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)05-0885-06经过漫长的自然选择与环境适应过程，自然界的生物形成了近乎完美的身体结构，也发展出了相应的高效运动方式，尤其是鱼类利用流

3、体获得动力的能力更是令人叹为观止¨。31．鱼类在推进效率、机动性和稳定性等方面技能卓越．其游动尾迹少、高度适应复杂水环境并利用周围流体降低能耗的特点，对改进现有水下潜器的推进性能和研制稳定、高效、隐蔽、机动的新型水下航行器有重要的启发作用H⋯．按照鱼体结构和推进机制的不同，鱼类游动推进模式可以分为身体／尾鳍推进模式(Bodyand／orCaudalFin，BCF)和中央鳍／对鳍模式(Me．dianand／orPairedFin，MPF)2类”1．BCF推进模式主要由鱼体或尾鳍的波动产生推进力，胸鳍多起到辅助推进或掌控平衡与方向的作用¨1．MPF推进模式，以胸鳍或腹鳍为推进力主要来源，通过改

4、变鳍的波形、波动幅度、频率以及两侧鳍上运动波的相差来控制推进力及转弯力矩旧J．相比尾鳍推进模式，胸鳍摆动推进模式鱼类具有良好的机动性、稳定性和较小的环境扰动等优点旧。1“．而基于此推进原理的仿生机器鱼已经能够实现近乎零半径转弯及后退等高机动性能，此类仿生机器鱼的研究已经得到了各国科研工作者的重视¨2。”1．胸鳍摆动推进模式机器鱼具有扁平的机体，因此具备良好的稳定性．通过控制机器鱼的尾舵单元，实现机器鱼的上浮和下潜运动．本文中，以实现胸鳍摆动推进模式机器鱼的定深控制为主要目的，同时对不同深度下的机器鱼俯仰角度变化进行了分析．机器鱼处于水下环境时，其运动控制涉及到流体动力学问题．因此机器鱼成为

5、一个非线性的复杂控制对象．研究人员难以建立数学模型对机器鱼进行精确控制．而模糊控制可以有效实现人的控制策略和经验，并且不需要确定被动对象的数学模型即可实现较好的控制．模糊控制方法已经被比较广泛地用于机器鱼的运动控制，并获得了较好的运动性能¨。”1．因此本文基于模收稿日期：2014-06-06；录用日期：2014-07-25；网络出版时间：2014-09-0516：42网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0331．html基金项目：国家自然科学基金(51205011)；中国博士后科学基金(2013T60049)作

6、者简介：马宏伟(1987一)，男，吉林安图人，博士研究生，mahongweil987@yeah．net+通讯作者：蔡月日(1983一)，男，河北承德人，讲师，caiyuefi2008@126．COB，主要研究方向为仿生机构、仿生鱼、柔性机构．引用格式：马宏伟，毕树生，蔡月日，等．胸鳍摆动推进模式机器鱼深度控制fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41p)：885—890．MaHW，BiSS，CaiYR，eta1．Depthcontrolofroboticfishpropelledbyoscillatingpairedpectoralfins[JJ．JournalofBeijingUniv

7、ersityofAeronauticsandAstronautics，2015，4Jf5)：885—890(inChinese)．886北京航空航天大学学报糊控制理论，建立模糊控制器，用于对机器鱼的俯仰姿态进行控制，同时建立专家PID控制器，用于根据深度误差生成期望的俯仰角度信号．2种控制器构成双闭环控制系统，用于实现机器鱼的定深控制．在北京航空航天大学机器人所的实验泳池进行了相关定深实验．实验结果表明，机器鱼能够较快地