Transcript 仿生机器鱼研究 - 智能科学网站

智能仿生机器鱼研究
题 目：智能仿生机器鱼研究
报告人：谭民
单 位：复杂系统与智能科学实验室
中国科学院自动化研究所
地 址：北京市中关村东路95号
邮 编：100080
Email : [email protected]
内容提纲
• 仿生机器鱼研究现状
•
•
•
•
仿生机器鱼水下推进机理
仿生机器鱼水设计与控制
“智能” 仿生机器鱼
小结
仿生机器鱼系统
• 仿生机器鱼，参照鱼类游动的推进机理，利
用机械、电子元器件或智能材料来实现水下
推进的运动装置。
• 高效率、高机动性 、高隐形性、低噪声
面临的挑战
• 多学科交叉问题：鱼类游动方式包含着生物
学和流体力学机理，仿生学，新材料，控制，
微小型技术，群体行为学等,……
• 理论方法问题：如非定常流体力学，材料科
学，动态网格技术，水洞实验……
• 仿鱼机器人技术——机构建模与仿真，高效
驱动装置，智能控制与决策，群体行为控
制，……
仿生机器鱼研究现状
国 别
美
研究单位
研究内容
MIT, M.Triantallou研究组
涡流控制和减阴机制
北亚利桑那州大学，生物系
鱼类游动行为
Vasaar学院，生物力学实验室
国
加拿大
日
加州大学动物系
鱼类推进数学模型
Lafayette大学，数学系
鱼类推进数学模型
康涅狄格大学
鱼类游动的结构和功能
南加州大学
游动和飞行的研究
东北大学
鳗鲡目推进
渥太华大学
电子鱼研究项目
东海大学，Kato实验室
胸鳍推进
东京工学院地，机械动力和控制实验室
本
运输省，船舶技术研究所(SRI)
驱动装置、机动性研究
仿生机器鱼研究现状
国 别
美
国
比利时
英国
日
本
研究单位
研究内容
MIT
第一条机器鱼Robotuna(1994年)
Robotuna改进版Pike(1995年)
Robotuna最高版VCUUV(1998年)
拍动翼研究
中佛罗里达大学
微电子机器鱼(应用SMA技术)
德州农工大学
仿生驱动材料研究
东北大学
仿生水下机器人项目(鳗鲡目推进)
波士顿大学
机器鱼推进建模
加州理工学院
鱼类推进的传感和控制
Vrije大学
机器鱼智能体研究
Heriot-Watt大学
人工胸鳍黑鲈(Blackbass)
名古屋大学
微型水下仿胸鳍模式浮游机器人(PZT)
微型身体波动式水下推进器(SMA)
Takara公司
机器鱼，机器水母
三菱重工
机器鱼“Mitsubishi Animatronics”
运输省，船舶技术研究所(SRI)
PF-300, PF-600, F-FPSE200, PF-700
UPF-2001, PPF-09
仿生机器鱼研究现状
研究单位
研究内容
中国科技大学
三维波动板理论(3DWPT) (80年代后期)
华中理工大学
柔性尾鳍推进装置及鱼形机构(1994年)
哈尔滨工程大学
仿生机器章鱼
哈尔滨工业大学
仿鱼鳍推进机理
中科院沈阳自动化所
两关节仿生机器鱼
北航机器人所
机器鳗鱼(1999年)、机器海豚(2001年)
中科院自动化所
鲹科类机器鱼设计、控制与协作研究(2001年)
仿鱼水下推进机理
• 仿鱼水下推进机理实验
仿鱼水下推进机理
• 仿鱼水下推进机理实验
仿鱼水下推进机理
• 鲹科鱼类的推进方式
胸鳍
躯干
尾鳍
摆动部位
ybody ( x, t )  [c1x  c2 x2 ][sin(kx  t )]
仿鱼水下推进机理
• 仿鱼水下推进机理仿真
鱼类游动的运动学
ybody( x, t )  [(c1 x  c2 x 2 )][sin(kx  t )]
Y轴 (背腹轴)
ybody( x, i)  [(c1 x  c2 x 2 )][sin(kx  2M i)]
鱼体波曲线
2
2
2

(
x

x
)

(
y

y
)

l
i
,
j
i
,
j

1
i
,
j
i
,
j

1
j


2
y

(
c
x

c
x
) sin(kxij  2M i)

i
,
j
1
ij
2
ij

X轴 (头尾轴)
02
 01

12
 11
OscDat a[ M ][N ]  
...
...


 M 1,1  M 1, 2
基于杆系结构的鱼体波曲线拟合
...
...
...
0 N 

1N 
... 

...  M 1, N 
充电插 控制单元
天线
孔
铝制外骨
架
7
8
尾鳍
关节
关节
鱼眼 Ni-H电池 开 1 关节 3 关节
关 400 2
4
(a) 主视图
鱼头
4
0
178
(b) 俯视图
仿鱼水下推进系
统设计与控制
仿鱼水下推进系统设计与控制
胸
鳍
浮
潜
机
构
设
计
Body
Waterproof envelop

Pectoral fin
Axis
Joint 1
Control
system
2
3
4
T ail fin
仿鱼水下推进系统设计与控制
• 仿生机器鱼
• 机器鱼摆动频率与速度的关系
速度控制算法
v
0.5V f (1  cos(t / T ))

V f
V (t )  
0.5V f (1  cos( (t  Td  T ) / T ))
0

Acceleration Constant Deceleration Drift
phase
phase
phase
phase
Vf
O
T
Td
Td  T
Tg t
机器鱼运动的速度分布图
Vset
NN1
fset+
e
Robot Fish
P ID
f
NN2
神经PID速度控制器结构
V
Visual
feedback
(0  t  T )
(T  t  Td )
(Td  t  Td  T )
(t  Td  T )
游动方向控制算法
y
Destination point
(Fx,Fy )
d
dx
x
方向FLC的输入示意图

d
dt
ec
kec
ec'
LEC
i
1  i
Angular detection
方向FLC的结构
LU
ku1
ku2
u1
u2
Robot fish
e
f

LE
e'
Defuzzification
Fish Body
r ( d )
ke
Rule evaluation
dy
e
Fuzzification
(Px,Py )
Visual feedback
y ( f )
点到点(PTP)控制算法
Initialization
∆T
Position & pose information
Vision subsystem
Information update + Calculating l and θe
Destination
Point
(Px,Py )
y
N
N
fabs(θe)<θt
Y
l
Ls
Ld
fabs(θe)<δe
Deflections
Y
Orientation control
FLC
N
fabs(l)<δl
Fish
Body
e
f
(Fx,Fy )
Defined turning
mode
d
If overshoot
Exit
Speed control
strategy
Vset
Y
Overshoot strategy
x
N
PID controller
Speed + Orientation output
{Φ1, Φ2, Φ3, Φ4,f}
f
Wireless communication
Fish + Environments
Visual information
PTP控制：控制机器鱼从任一初始位姿运动到目标位置
Result：设计出PTP控制函数MoveToGoal()
仿鱼水下推进系统设计与控制
• 仿生机器鱼瞬态运动
快速启动
紧急转弯
紧急停止
仿鱼水下推进系统设计与控制
• 仿生机器鱼浮潜运动控制
智能仿生机器鱼
• 装备多种传感器的智能仿生机器鱼系统
基于视觉的仿生机器鱼控制
• 装备摄像头的仿生机器鱼
戏 球
协作射门
协
作
小 结
• 智能仿生机器鱼在运动机理、机构设计、
控制方法方面还有很大的发展空间
• 装备多种类型传感器的智能信息处理系统
将是智能仿生机器鱼研究的新热点
• 水下传感网络、多仿生机器鱼协调控制将
为水下作业提供新的思路
谢
谢
!