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仿生机器鱼的研究

  • 发表日期:2008-04-14 【 【打印】【关闭】
  • 随着陆地资源日益枯竭,人们把目光投向了拥有丰富资源和巨大开发价值的海洋,这使得水下作业任务发生了很大变化,提出了许多新的要求,原有的水下检测、作业、运载装置难以满足复杂水下作业任务的需求,加速了水下机器人的研发工作。鱼类,作为自然界最早出现的脊椎动物,经过亿万年的自然选择,进化出了非凡的水中运动能力,鱼类的游泳技巧远高于人类现有的航海科技。和普通的水下推进器相比,鱼类的游动具有推进效率高、机动性能好、隐蔽性能好等优点。仿生机器鱼作为鱼类推进机理和机器人技术的结合点,为研制新型的水下航行器提供了一种新思路,具有重要的研究价值和应用前景。一旦步入应用,仿生机器鱼将在复杂危险水下环境作业、军事侦察、水下救捞、海洋生物观察、考古等方面发挥重要作用。

    课题组在对鱼类深入观察的基础上,结合仿生学、机器人学、材料学、机械学和智能控制,深入探讨了鱼类游动的机制,掌握了仿生机构、仿鱼推进机理、仿生控制、多鱼协调控制等一系列关键技术,研制出了模拟科鱼类游动的微小型多关节仿生机器鱼、装备红外传感器的自主避障机器鱼、装备视觉传感器的机器鱼以及三维运动机器鱼等,开发出了多微小型仿生机器鱼协调与控制系统。

    根据鱼类游动的特点,提出了以连杆型机械结构来模拟鱼类的脊骨结构,通过多个连接关节协调运动模拟鱼类的游动方式。通过提取机器鱼的形体参数和运动参数,建立了仿生机器鱼的运动学模型,并在此基础上,考虑实际元器件和实现方法等约束条件,对机器鱼系统进行了优化设计,最终研制完成了机器鱼样机。依据鱼类游动时身体的波动运动曲线设计了仿生机器鱼的游动步态控制算法,实现了机器鱼的游动控制。通过调节关节的摆动频率可以调整机器鱼直行游动的速度,通过在各关节上叠加不同的关节偏移量可以实现其游动方向控制。

    课题组提出了多仿生机器鱼协调与控制系统的体系结构,研制开发了多机器鱼协调与控制实验平台。该实验系统由四部分组成:决策与仿真子系统、视觉子系统、无线通讯子系统、机器鱼子系统。视觉子系统采集机器鱼信息和环境信息,经图像识别后,作为决策与仿真的输入量,决策输出经无线通讯子系统发送给机器鱼子系统,从而控制多机器鱼的行为,共同完成某一项任务。

    采用基于行为的方法对机器鱼的各种基本行为进行设计,运用角色分配的方式实现相互间协调,目前已经完成了双鱼过孔、顶球、射门等实验。为了提高图像处理的速度,保证多鱼协调运动控制的实时性,设计并采用了并行处理算法进行图像信息的计算、处理。分析并解决了系统通讯稳定性、驱动系统可靠性、防水、电源供应等问题。

    为仿生机器鱼装配红外、视觉等传感器,赋予机器鱼感知相应环境信息的能力;通过为机器鱼设计合适的浮潜机构,使得仿生机器鱼实现水中的三维运动,借助压力传感器提供的深度信息,实现深度控制。

    仿生机器鱼相关研究成果获得2005年国防科学技术二等奖和2004年北京市科学技术二等奖。多仿生机器鱼协调与控制平台已在山东省科技馆稳定运行,进行科技成果展示和科普宣传。英国Essex大学、英国Glamorgan大学、香港中文大学、北京理工大学等也购买了我们的仿生机器鱼。仿生机器鱼系统作为高技术成果应邀参加多项科技成果展,引起国内外的广泛关注。有代表性的包括国家十五重大科技成就展(20059月在北京海淀展览馆举行)和国家科技创新成就展(20061月在北京展览馆举行)。20073月在俄罗斯举办的“中国年”中,仿生机器鱼系统作为高技术成果的代表之一参加科技成果展。

        在已有仿生机器鱼研究工作的基础上,课题组还针对以仿生机器鱼为传感器网络节点的传感网络系统进行了深入研究,为仿生机器鱼的广泛应用奠定了基础。