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基于波动机理的仿生鱼探测器研究

作　者: 郑精辉
导　师: 杨灿军
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 仿生鱼墨鱼波动柔性长鳍电机控制实验
分类号: TH766
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 268次
引　用: 4次
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内容摘要

水下机器人探测器在海洋资源的勘探、开发中起着越来越重要的作用，传统的水下机器人探测器多采用螺旋桨推进，在效率、机动能力、能耗等方面存在不足。水中的动物尤其是一些头足类动物和鱼类具有着极其优秀的水下运动能力和很高的运动效率，对这类动物的运动机理进行研究分析，进行仿生水下机器人探测器研究，对高效、新型的水下机器人探测器的研制有重要作用，而且对海洋资源的勘探、开发甚至军事方面也将起重要作用。基于波动机理的仿生鱼探测器与传统的仿鱼类身体／尾鳍(BCF)推进模式机器鱼相比，其主要仿生的为墨鱼的柔性长侧鳍波动运动，为中央鳍／对鳍(MPF)推进模式，此种模式具有更高的机动性和运动稳定性，采用此种运动方式的仿生鱼探测器不仅适用于远距离航行，还具有小范围机动灵活、抗扰动能力强的特点。本文进行的仿生鱼探测器研究主要包括墨鱼的运动机理研究和原理样机研究。首先对墨鱼的运动机理特别是侧鳍的波动运动进行了深入研究，通过实验观察，运动图像处理分析获得参数数据，并进行动力学分析，结果表明墨鱼的侧鳍波动运动是一种具有较高效率、机动灵活的水下运动；然后基于墨鱼侧鳍行波波动机理设计了灵巧、轻便的柔性机械波动鳍，同时设计了转弯和俯仰机构及密封等相关部分；同时设计了仿生鱼探测器样机的整个控制系统，实现了能对样机进行无线遥控和PC机程控的基于MSP430F149的控制电路，通过双闭环PI控制很好的实现了对驱动波动鳍的直流伺服电机的速度控制，完成了基于C的控制程序设计等；最后通过实验验证了仿生鱼探测器各部分的可行性和可靠性，并对柔性机械波动鳍的优化设计进行了实验研究，给出了波动鳍优化设计的一些依据。本文所研究的仿生鱼探测器最终目标是实现高效、机动灵活、运动能力强的水下作业工具，现在尚处在原理性实现为目的的初级阶段，在结构、运动控制系统、性能指标等方面还有很大的进一步发展的空间。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 仿生推进机理理论研究现状  11-12
    1.2.2 机器鱼国内外研究现状  12-18
      1.2.2.1 BCF推进模式  12-15
      1.2.2.2 MPF推进模式  15-18
  1.3 技术难点分析  18
  1.4 本文研究内容  18-19
  1.5 本章小结  19-20
第2章墨鱼的运动机理及其波动侧鳍的动力学研究  20-37
  2.1 引言  20
  2.2 墨鱼运动机理  20-23
    2.2.1 墨鱼的形态和运动  20-21
    2.2.2 墨鱼侧鳍的波动机理  21-23
  2.3 墨鱼侧鳍的波动观察实验及实验图像处理  23-30
    2.3.1 波动观察实验  23
    2.3.2 实验图像数据处理  23-30
  2.4 墨鱼侧鳍波动的动力学分析  30-36
    2.4.1 墨鱼侧鳍的受力分析  30-32
    2.4.2 大摆幅细长体理论  32-34
    2.4.3 波动侧鳍的动力学分析  34-36
  2.5 本章小结  36-37
第3章基于波动机理的仿生鱼探测器结构设计  37-47
  3.1 引言  37
  3.2 仿生鱼探测器机构设计原则  37-38
  3.3 仿生探测器机械结构设计  38-44
    3.3.1 波动鳍机构  38-41
      3.3.1.1 波动柔性长鳍的设计  39
      3.3.1.2 摆动机构设计  39-41
    3.3.2 俯仰机构  41-42
    3.3.3 转弯机构  42-43
    3.3.4 仿生鱼探测器密封设计  43-44
  3.4 探测器关键器件选择  44-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章仿生鱼探测器控制系统设计  47-68
  4.1 引言  47
  4.2 控制系统硬件总体设计  47-53
    4.2.1 摆动直流电机控制电路  47-50
    4.2.2 步进电机及舵机控制电路  50-52
    4.2.3 PC机通讯和遥控模块  52-53
  4.3 仿生鱼探测器运动控制框架  53-54
  4.4 摆动机构直流电机的控制  54-62
    4.4.1 直流电机动态数学模型  54-55
    4.4.2 直流电机的伺服控制及仿真  55-59
      4.4.2.1 直流电机的伺服控制系统  55-57
      4.4.2.2 直流电机的伺服控制系统控制参数确定及仿真  57-59
    4.4.3 驱动器ASCII控制命令  59-62
      4.4.3.1 ASCII命令格式  59-61
      4.4.3.2 串口控制命令  61-62
  4.5 控制软件设计  62-67
    4.5.1 单片机程序设计  62-66
    4.5.2 上位机和下位机的通讯  66-67
  4.6 本章小结  67-68
第5章仿生鱼探测器系统测试实验  68-77
  5.1 引言  68
  5.2 波动鳍波动性能研究实验  68-73
    5.2.1 实验方案  68-69
    5.2.2 数据处理及分析  69-73
  5.3 仿生鱼探测器样机运动实验  73-76
    5.3.1 仿生鱼探测器实验系统  73-74
    5.3.2 实验内容及结果分析  74-76
  5.4 本章小结  76-77
第6章总结和展望  77-79
  6.1 总结  77
  6.2 展望  77-79
参考文献  79-83
致谢  83-84
科研成果  84
  攻读硕士学位期间发表的学术论文  84
  攻读硕士学位期间参与申请的专利  84
  攻读硕士学位期间参与的科研项目  84

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