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柔性胸鳍推进仿蝠鲼机器鱼CPG运动控制

南凯刚 姜晟 张进华 成海炎

南凯刚, 姜晟, 张进华, 等. 柔性胸鳍推进仿蝠鲼机器鱼CPG运动控制[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(2): 201-210 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203009
引用本文: 南凯刚, 姜晟, 张进华, 等. 柔性胸鳍推进仿蝠鲼机器鱼CPG运动控制[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(2): 201-210 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203009
NAN Kaigang, JIANG Sheng, ZHANG Jinhua, CHENG Haiyan. CPG Motion Control for a Bionic Manta Ray Robot Fish Propelled by Flexible Pectoral Fin[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(2): 201-210. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203009
Citation: NAN Kaigang, JIANG Sheng, ZHANG Jinhua, CHENG Haiyan. CPG Motion Control for a Bionic Manta Ray Robot Fish Propelled by Flexible Pectoral Fin[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(2): 201-210. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203009

柔性胸鳍推进仿蝠鲼机器鱼CPG运动控制

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203009
基金项目: 国家自然科学基金项目(52175030)
详细信息
    作者简介:

    南凯刚(1985-), 男, 工程师, 主要研究方向为机器人及非标产品系统方案设计、结构设计及相关试验技术

  • 中图分类号: TJ630.1; TB381

CPG Motion Control for a Bionic Manta Ray Robot Fish Propelled by Flexible Pectoral Fin

  • 摘要: 文中以蝠鲼为仿生对象, 提出了一种基于柔性胸鳍推进的仿蝠鲼机器鱼设计方案, 并针对该机器鱼设计了基于中枢模式发生器(CPG)的运动控制策略, 进行了控制参数的影响分析与多种运动模态的性能测试。首先, 对蝠鲼的运动特征进行了分析, 在实际仿生功能需求下提出了仿蝠鲼机器鱼的整体设计方案。然后, 为实现仿蝠鲼机器鱼在不同游动模式下的稳定游动及连续平稳切换, 设计了一种CPG运动控制方法, 并分析了各控制参数对CPG拓扑网络结构输出信号的影响。最后, 对仿蝠鲼机器鱼的机动性进行了进一步的游动测试, 验证了仿蝠鲼机器鱼能在水下灵活实现直线巡游、转向及浮潜等多种运动模态, 具有出色的运动性能和应用前景。

     

  • 图  1  蝠鲼在不同运动姿态下的形态特征

    Figure  1.  Morphological characteristics of different moving postures for manta ray

    图  2  仿蝠鲼机器鱼整体设计方案

    Figure  2.  Overall design scheme of the bionic manta ray robotic fish

    图  3  蝠鲼游动时胸鳍的协同配合

    Figure  3.  Synergy of pectoral fins during manta ray swimming

    图  4  机器鱼CPG控制结构示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of CPG control structure for robotic fish

    图  5  频率控制参数fi突变对CPG输出信号的影响

    Figure  5.  Influence of frequency control parameter fi mutation on CPG output signals

    图  6  相位差φij对CPG输出信号的影响

    Figure  6.  Influence of phase difference φij on CPG output signals

    图  7  幅值控制参数Ai对CPG输出信号的影响

    Figure  7.  Influence of amplitude control parameter Ai on CPG output signals

    图  8  偏移量控制参数Bi对CPG输出信号的影响

    Figure  8.  The influence of deviation control parameter Bi on CPG output signals

    图  9  收敛因子αiβi对CPG输出信号的影响

    Figure  9.  The influence of convergence factor αi and βi on CPG output signals

    图  10  机器鱼直线巡游时x-y平面内所受力矩示意图

    Figure  10.  The schematic diagram of the torque in the x-y plane during the straight line cruise of the robotic fish

    图  11  机器鱼直线巡游模式下CPG拓扑网络信号输出及其游动测试序列

    Figure  11.  The signal output of CPG topological network and its swimming test sequence under the linear cruise mode of the robotic fish

    图  12  机器鱼转向游动模式下CPG拓扑网络信号输出及其游动测试序列

    Figure  12.  The signal output of CPG topological network and its swimming test sequence under the steering mode of the robotic fish

    图  13  机器鱼原地旋转模式下CPG拓扑网络信号输出及其游动测试序列

    Figure  13.  The signal output of CPG topological network and its swimming test sequence under the local rotation mode of the robotic fish

    图  14  机器鱼浮潜游动模式下CPG拓扑网络信号输出及其游动测试序列

    Figure  14.  The signal output of CPG topological network and its swimming test sequence under the floating and diving modes of the robotic fish

    图  15  机器鱼机动性能测试

    Figure  15.  Mobility test of robotic fish

    表  1  直线巡游模式下CPG拓扑网络参数取值

    Table  1.   Parameter value of CPG topological network in linear cruise mode

    参数取值参数取值
    fi[1, 1, 1]Ai[60, 60, k]
    φij0Bi[0, 0, 0]
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    表  2  同类型仿蝠鲼机器鱼对比

    Table  2.   Comparison of same type biomic manta ray robotic fish

    样机名称驱动方式本体质量/g游动速度/(BL/s)
    Roman-Ⅱ[9]舵机5 0000.85
    BH-RAY3[10]舵机1 6401.10
    Robo-Ray[11]舵机3 4001.40
    MantaDroid[12]舵机7671.78
    文中机器鱼舵机7201.90
    下载: 导出CSV

    表  3  转向模式下CPG拓扑网络参数取值

    Table  3.   Parameter value of CPG topological network in steering mode

    参数取值参数取值
    fi[1,1.2,1]Ai[60,60,30]
    φij0Bi[0,0,0]
    下载: 导出CSV

    表  4  原地旋转模式下CPG拓扑网络参数取值

    Table  4.   Parameter value of CPG topological network in local rotation mode

    参数取值参数取值
    fi[0, 1.2, 1]Ai[0, 60, 30]
    φij0Bi[0, 0, 0]
    下载: 导出CSV

    表  5  浮潜游动模式下CPG拓扑网络参数取值

    Table  5.   Parameter value of CPG topological network in floating and diving motion mode

    参数取值参数取值
    fi[1, 1, 1]Ai[60, 60, 60]
    φij0Bi[0, 0, ±30]
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-11
  • 修回日期:  2022-04-15
  • 录用日期:  2022-09-19
  • 网络出版日期:  2022-12-06

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