基于脉冲运动本质的鱼游机动与仿生控制

鱼游机动运动本质上是一种脉冲运动（Impulsive motion），由类似于脉冲函数的神经指令所触发，具有"脉冲性质"-持续时间短，加速度大。受此启发，本项目针对一类具有脉冲本质的机动游动特性、仿生控制及应用等问题开展研究。主要研究内容包括：结合仿生学在鱼游机动机理、机构设计、运动控制方面的最新研究成果，提出描述脉冲运动本质的数学表达，建立基于阶跃函数组合触发的机动控制模型；研究多种参数化机动运动（包括C形起动、S形起动、倒游、快速制动等）的产生方法与行为特性；综合定常游动和参数化的机动运动，提出基于规则自调整的自适应模糊游动控制方法，初步实现动态水环境下的精确机动；在此基础上，通过不同推进配置的仿生游动平台，对所提理论和方法的可行性和适用性进行验证。本项目的科学意义在于通过运动仿生和控制仿生来探索鱼游机动背后所蕴含的力学特性和控制机理，为机器鱼在动态水环境下的应用奠定基础。

鱼游机动运动本质上是一种脉冲运动，由类似于脉冲函数的神经指令所触发，具有“脉冲性质”—持续时间短，加速度大，国内外对这类问题的研究很重视。受此启发，我们针对一类具有脉冲本质的机动游动特性、仿生控制及应用等问题开展了深入研究。1、结合鱼游机动和仿生控制的最新研究成果，提出了基于平滑阶跃函数偏差组合触发机动运动的整体控制思路，通过协调控制偏差叠加的时刻、持续时间、方向等动态指标，实现了多种快速、灵活、多变的机动运动；2、提出了“动态轨迹法”作为C形起动、S形起动的运动模型，通过在机器鱼头部安装陀螺仪，对鱼体转向角进行实时的反馈，实现了机器鱼快速精准的转向闭环控制。同时，将动态轨迹法应用于多关节机器海豚的俯仰运动，首次实现了机器海豚前滚翻、后滚翻等机动运动。从运动模拟实验角度，利用该方法控制的机器海豚验证了生物学家N. K. Maslov的观点：海豚的俯仰机动性能高于其偏航机动性能。3、提出了适合多关节机器鱼产生倒游运动的控制方法，即利用CPG（Central Pattern Generator, 中枢模式发生器）耦合的动力学仿真作为一个搜索工具，通过振荡器与水环境的交互与进化，搜索合适的CPG特征参数，之后利用实际机器鱼系统对CPG参数微调，最终获得切实可行的倒游模态。4、对两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法进行了对比研究，获得了倒游运动控制的关键参数，为通过控制手段增强仿生机器鱼机动性能、降低机构设计复杂度提供了新途径和新方法。5、对三维机动运动包括三维C形起动、横滚运动及复合运动控制进行了尝试，使机器鱼获得了初步的三维运动能力。上述研究结果不仅为深入了解和认识鱼游脉冲运动背后所蕴含的力学特性和控制机理提供了机器仿生学平台支撑和实践基础，而且为提升多关节仿生游动机器人的机动性能提供了理论依据和先进控制方法支撑。