《基於自主推進測試平台的機器魚高效遊動控制研究》是依託北京航空航天大學，由王田苗擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於自主推進測試平台的機器魚高效遊動控制研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：王田苗
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水下仿生機器人是當前國際前沿多學科交叉的研究熱點問題，儘管已有一些自由遊動的實驗樣機出現，但缺乏對高效的仿生遊動控制的研究是制約其發展的主要瓶頸之一，合理準確的模型實驗研究則是探索機器魚高效遊動控制的必要手段。針對傳統的仿生模型實驗方法難以勝任機器魚高效推進實驗研究的這一問題，本項目根據魚類自由遊動的相關動力學理論分析，試圖開展一種新的自主推進的機器魚模型實驗測量方法研究，並將搭建實驗平台。.通過在該實驗平台上進行仿生機器魚模型整體運動學、外力與內力、PIV流場觀測同步測量，定量分析機器魚的遊動模式與活體生物的差異,探索機器魚最優的遊動模式。並在此實驗基礎上探索一種新的高效遊動控制模型。本項目的研究成果將為未來仿生水下航行器的高速、高效率、長航程遊動提供合理的控制模型理論基礎與模型實驗測量方法。
結題摘要
本項目的研究目的是為未來仿生水下航行器的高效遊動提供定量的實驗測量手段、科學的測量結果和高效的遊動控制方法。圍繞仿生機器魚的推進效率測量實驗與仿真，我們從幾個主要的方面進行了研究並取得相關的成果。1、提出了一種新的基於“自主推進”條件的實驗測量方法，通過光機電一體化技術同步測量了機器魚的功耗、外力以及流場結果，並定量估算了機器魚的推進效率。2、在測量平台基礎上，我們系統地研究了不同運動模式對機器魚的速度、效率、功耗以及流動結構的影響，並從工程學和比較生物學的角度分別討論了如何提高機器魚推進性能和活魚的運動模式比較這兩個方面的科學問題。3、針對生物學家提出的疑問：倘若鰺科魚類採用像鰻鱺或者鮪魚模式的運動，推進性能會發生什麼樣的變化？而這些運動模式又各具備什麼樣的優勢？目前的實驗結果表明，相比其餘兩種運動模式(鰻鱺，鰺科)，鮪魚推進模式在達到了最高的推進速度的也收穫了最高的推進效率。4、由於傳統機器魚運動控制算法未考慮機器魚遊動過程中的推進效率，本研究通過仿真結果分析並討論了無量綱運動參數與推進性能之間存在的關係，並發現St數與尾鰭相對攻角之間的協調控制是提高並保持高推進效率的關鍵。通過基於無量綱參數的模糊控制方法，相比機器魚傳統的控制方法如PID控制算法，我們發現前者獲得了更好的速度動態性能與更高的推進效率。5、在太湖的水質監測套用中經過最佳化之後的機器魚平台取得了13h的續航時間與49km的航程，平均速度達1.12m/s。以上研究成果將為未來高速、高效率、長航程的仿生水下航行器提供合理的模型實驗測量方法並提供高效遊動控制基礎。
