多仿生机器鱼控制与协调_喻俊志多仿生机器鱼控制与协调_喻俊志.pdfVIP

仿生机器人 多仿生机器鱼控制与协调 t 喻俊志 王 硕 谭 民 中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室 [ 摘 要] 仿生机器鱼是包含水动力学控制和机器人技术的多学科问题。本文从机器鱼的运动学模型入手, 解决运动控制问 题; 以实时视觉信息处理技术为前提, 为多鱼协调定位提供位姿信息; 基于行为选择机制的协作策略, 为机器鱼的任务级 协作打下基础; 最后, 将所有算法集成到我们开发的多仿生机器鱼协调系统 (Multiple Robot Fishes coordinate System, MRFS) 上。 [ 关键词] 仿生机器鱼, 运动控制, 视觉跟踪, 协调协作 引 言 和运动学模型; 另一方面, 从仿生的角度研制快速 、 鱼类, 作为自然界最早出现的脊椎动物, 经过亿 高效、高机动性的机器鱼, 揭示鱼类旋涡控制( vorticity 万年的自然选择, 进化出了非凡的水中运动能力, 既 control) 的奥秘。 可以在持久游速下保持低能耗、高效率, 也可以在 21 世纪是人类开发海洋的世纪, 随着海洋开发 拉力游速或爆发游速下实现高机动性。依靠尾和鳍 需求的增长及技术的进步, 适应各种非结构化环境 的协调摆动, 一方面, 普通鱼类的游动推进效率可达 的水下机器人将会得到迅猛的发展。可以预见, 机器 80%以上, 鱼参科鱼类的推进效率超过 90% , 而普通的 鱼以其效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的 推进器的平均效率只有 40~ 50%; 另一方面, 海豚可 优势将在以下领域得到广泛应用: ( a) 要求作业时间 轻易地以 20 节的速度跟随船只游弋, 黄鳍鲔鱼的速 长、范围大, 但本身承载能力或承载空间有限、不能 度可达 40 节, 接近每小时 80 公里; 而梭子鱼更可以 加载太多能源的场合, 如环境监测、军事侦察等; ( b) 用 20g 的加速度迅速起动来掠取猎物。此外, 鱼类可 要求机动性能高的场合或空间狭窄、空间结构复杂 迅速地以只有 10% ~ 30% 体长距离为转弯半径来变 的场所。如管道检测, 管道内部结构复杂, 采用微小型 换行进方向, 而一般船舶须以 3- 5 倍体长的半径缓 机器鱼可较好地完成作业任务; ( c) 海洋生物观察。 慢地回转。这些数据表明, 鱼类的游泳本领远远高于 常规螺旋桨推进器噪声大, 对环境的扰动大, 使水下 人类现有的航海科技。正是鱼类的这种高效、快速、机 运动装置很难接近所要观察的海洋生物, 采用静音驱 动灵活的水下推进方式, 可能会给未来航行推进带来 动的机器鱼有望解决这一难题; ( d) 海底勘探及海洋 技术性的变革, 包括水下潜器、船舶工程、微小型武 救捞。采用仿生推进方式可以容易地进入环境复杂的 器平台及作战模式的改变。鱼类在水中运动的完美 海洋空间, 如沉船内部