仿生机器鱼设计、控制与自主避障研究

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仿 生 机 器 鱼是 当 前 仿 生 机 器 人 领 域 的 研 究 热 点 . 鱼 类 特 殊的 游 动 方 式， 为
研究高 性能的 水下推进器提供了 新思 路。 仿生 机器 鱼的 研 制是-个多学 科交叉
问 题。 在国 家高 技 术 研究 发 展 计 划 ( 8 6 3 计 划) 机 器 人 技 术 主 题 项 目 多 微 小 型
仿生 机器 鱼群体协作与 控制的 研 究” 的 支 持下， 本 文从多 关节仿生 机器鱼的设
计、 上 浮 下 潜实 现 技术、 运 动 控 制 技 术， 以 及装 备 传 感 器的 机 器鱼 系统 设 计等
多 方 面 开 展 研 究 工 作。
在借 鉴国内 外 研究 工 作的 基 础 上， 根 据 鱼 类 游动 的 特 点， 提 取鱼 类的 形体
参 数和运动参数 ， 简化并改 进了 够科 鱼 类的 运动学 模型。 同 时， 根据实 际 元器
件 和实 现方 法的 约 束， 对机 器 鱼 进 行 系 统 设 计， 开 发了 多 关 节 仿生 机器 鱼 设计
平台 ， 并 且 通 过 机器 鱼 样 机的 研 制 验 证了 该 设 计 软 件的 有 效 性。
为了 实 现仿生机器鱼的 上浮下 潜运动， 针 对 已 有的 机 器鱼样机， 在综合比
较 多 种方 案 基 础 上， 采 用附 加 胸 鳍 方 式 实 现 对 机 器 鱼 的 上 浮 下 潜 运 动 控 制。 根
据 流 体 力 学 分 析 设 计了 仿 生 胸 鳍 ， 确 定 了 几 何 参 数 。 同 时 ， 对 机 器 鱼水 下 运 动
过 程中出 现的问 题进 行了 探 讨， 实 验 结 果 证明 了 机 器 鱼 样 机 设 计 方 案 的 有 效 性。
在 仿生 机器 鱼机 动 性 研究 方 面， 结 合 机 器 鱼的 身 体 特 点 和控 制方 式， 本 文
从 速 度控 制、 方向 控 制和 瞬时 游 动 控 制 等 方 面给出 了 几 种 运 动 控 制方 法， 并 在
机 器 鱼 样 机 上 进 行了 实 验 验 证。
为了 使 机 器 鱼 具 备 - 定 的自 主 能 力， 本 文 对 基 于 多 传 感 器 的 智能 机 器 鱼系
统 设 计开 展了 研 究， 为 智 能 机 器 鱼 设 计了 传 感 器网 络， 提出 了 智 能 机 器 鱼 的 系
统 结 构， 并 在 基 于 红 外 传 感 器 的 机 器 鱼 系 统 上 进 行了 实 验 。
关 键 词 : 仿 生 机 器 鱼， 上 浮 下 潜 运 动 ， 运 动 控 制， 智 能 机 器 鱼