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水下蛇形机器人建模与运动控制研究

李佩娟 杨刚 郭铁铮 鲁洋

李佩娟, 杨刚, 郭铁铮, 等. 水下蛇形机器人建模与运动控制研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0009
引用本文: 李佩娟, 杨刚, 郭铁铮, 等. 水下蛇形机器人建模与运动控制研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0009
LI Peijuan, YANG Gang, GUO Tiezheng, LU Yang. Design and motion control research of underwater snake shaped robot mechanism[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0009
Citation: LI Peijuan, YANG Gang, GUO Tiezheng, LU Yang. Design and motion control research of underwater snake shaped robot mechanism[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0009

水下蛇形机器人建模与运动控制研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0009
详细信息
    作者简介:

    李佩娟(1982-), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向为惯性组合导航系统关键技术、水下组合导航系统相关技术研究、基于视觉的多传感器信息融合技术

  • 中图分类号: TJ630.1; U661.334

Design and motion control research of underwater snake shaped robot mechanism

  • 摘要: 针对水下蛇形机器人在复杂水下环境自主游动难问题, 设计了一种水下蛇形机器人机构。基于蛇类运动机理建立运动学模型, 提出一种基于模糊控制和中枢模式生成(CPG)的运动控制方法, 通过对单个Hopf振荡器模型中极限环的稳定性进行分析, 搭建由多个Hopf振荡器构建形成的具有双耦合链条网拓结构的CPG模型, 引入模糊控制器与CPG模型一起构成闭环控制网络。对水下蛇形机器人进行仿真和实验结果表明, 样机可实现直线蜿蜒运动、左右转弯运动和U型运动实验, 在3种运动模式中, 水下蛇形机器人不仅拥有良好的稳定性, 而且能够保持优越的灵活性与机动性。

     

  • 图  1  Eelume水下蛇形机器人

    Figure  1.  Eelume Underwater Snake Robot

    图  2  带柔性尾鳍的水陆两栖蛇形机器人

    Figure  2.  Amphibious snake like robot with flexible tail fins

    图  3  水下蛇形机器人整体机构图

    Figure  3.  Overall mechanism diagram of Underwater Snake Robot

    图  4  水下蛇形机器人单自由度模块关节

    Figure  4.  Single degree of freedom module joint of Underwater Snake Robot

    图  5  重心调节机构与卡槽

    Figure  5.  Center of gravity adjustment mechanism and card slot

    图  6  水下蛇形机器人的模糊CPG控制方案

    Figure  6.  Fuzzy CPG Control Scheme for Underwater Snake Robot

    图  7  水下蛇形机器人CPG网络拓扑结构

    Figure  7.  Underwater Snake Robot CPG Network Topology Structure

    图  8  模糊控制器具体操作步骤

    Figure  8.  Specific operation steps of fuzzy controller

    图  9  $ \Delta e $三角隶属函数

    Figure  9.  ∆ e Triangular Membership Function

    图  11  $ \Delta {p}_{i} $/$ \Delta {\theta }_{i} $-Z隶属函数

    Figure  11.  $ \Delta {p}_{i} $/$ \Delta {\theta }_{i} $-Z membership function

    图  10  e-Z隶属函数

    Figure  10.  e-Z membership function

    图  12  水下蛇形机器人模糊CPG控制器整体结构图

    Figure  12.  The overall structure diagram of the Underwater Snake Robot fuzzy CPG controller

    图  13  Webots仿真实验环境

    Figure  13.  Webots Simulation Experiment Environment

    图  14  水下蛇形器人直线蜿蜒运动仿真实验

    Figure  14.  Underwater Snake Robot linear meandering motion simulation experiment

    图  15  水下蛇形机器人转弯运动仿真实验

    Figure  15.  Underwater Snake Robot turning motion simulation experiment

    图  16  水下蛇形器人U型运动仿真

    Figure  16.  U-shaped movement of Underwater Snake Robot

    图  17  水下蛇形机器人平衡状态

    Figure  17.  Underwater Snake Robot balance state

    图  18  水下蛇形器人直线蜿蜒运动

    Figure  18.  Underwater Snake Robot linear meandering motion

    图  19  蛇形机器人直线蜿蜒运动陀螺仪角度变化曲线

    Figure  19.  Angle variation diagram of linear winding motion gyroscope

    图  20  水下蛇形器人转弯运动

    Figure  20.  Underwater Snake Robot turning motion

    图  21  蛇形机器人转弯运动陀螺仪角度变化曲线

    Figure  21.  Angle variation diagram of turning motion gyroscope

    图  22  水下蛇形器人U型运动实验

    Figure  22.  U-shaped movement of Underwater Snake Robot

    图  23  水下蛇形机器人U型运动陀螺仪角度变化曲线

    Figure  23.  U-shaped motion gyroscope angle variation diagram

    表  1  模糊控制规则库

    Table  1.   Fuzzy control rule library

    e$ \Delta e $
    NZP


    $ \Delta {p}_{i}/\Delta {\theta }_{i} $
    NBPBPBPB
    NSPSPSPB
    ZEPSZENS
    PSNSNSNB
    PBNBNBNB
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-22
  • 修回日期:  2024-03-09
  • 录用日期:  2024-03-26
  • 网络出版日期:  2024-09-23

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