《仿生機器魚高效推進的主動/被動控制機理研究》是依託北京航空航天大學，由徐東擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：仿生機器魚高效推進的主動/被動控制機理研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：徐東
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
深入研究了仿生機器魚的推進機理和控制方法，針對現有機器魚推進效率低下、續航時間短的關鍵問題，提出了一種高效推進的主動/被動控制方法；首次從負功角度討論機器魚的運動參數、剛度和推進效率之間的關係，引入虛擬肌肉的柔順控制思想，融合主動規劃和被動調節，提高機器魚的推進效率。課題以生物魚遊動中肌肉的負功狀態所揭示的推進機理為基礎，在自主推進測試平台的實驗條件下，研究關節電機的變剛度驅動方法、機器魚負功狀態的模型辨識以及主動/被動柔順控制算法；並針對提出的算法開發虛擬肌肉的變剛度驅動器和基於FPGA多異質陣列的主-從結構控制系統，建立基於負功的高效推進知識庫，設計自由遊動機器魚樣機平台進行算法最佳化和實驗驗證。項目的主要意義是探索新的控制思路及相應的研究方法，以求在關鍵技術上有所突破和創新，並推動仿生機器魚技術和相關學科的研究和發展。
結題摘要
課題針對限制機器魚套用的瓶頸問題，以提高推進效率為研究目標，主要進行了仿生機器魚的運動學建模、動力學建模、水動力建模、推進效率評估方法、關節變剛度方法、基於負功高效推進方法及機器魚樣機研製方面的工作。在推進效率的評估方面，我們分析了生物魚的運動規律，以此得到了兩關節機器魚的運動學模型，利用拉格朗日方程建立了兩關節機器魚的動力學模型，利用簡化的公式得到了機器魚的水動力模型；在剛度變化方面，我們從柔順控制的角度出發，探索了基於虛擬肌肉模型實現關節變剛度的方法，提出了在位置閉環的控制中通過改變比例控制係數來改變剛度的方法；在高效推進方面，針對當前機器魚推進效率較低的問題，我們基於生物學家對生物魚負功的闡述，利用仿真分析的手段探索了利用關節負功改變關節剛度的控制方法，實驗結果表明，利用該方法驅動關節能夠提高機器魚的推進效率；在實際的機器魚樣機的研製方面，我們分析了機器魚的控制步驟，基於此利用ARM處理器開發了小體積的機器魚多關節控制器。目前共發表SCI期刊5篇，EI論文3篇，申請發明專利2項，製作了機器魚樣機一台。
