基于自主推进测试平台的机器鱼高效游动控制研究

水下仿生机器人是当前国际前沿多学科交叉的研究热点问题，尽管已有一些自由游动的实验样机出现，但缺乏对高效的仿生游动控制的研究是制约其发展的主要瓶颈之一，合理准确的模型实验研究则是探索机器鱼高效游动控制的必要手段。针对传统的仿生模型实验方法难以胜任机器鱼高效推进实验研究的这一问题，本项目根据鱼类"自由游动"的相关动力学理论分析，试图开展一种新的"自主推进"的机器鱼模型实验测量方法研究，并将搭建实验平台。.通过在该实验平台上进行仿生机器鱼模型整体运动学、外力与内力、PIV流场观测同步测量，定量分析机器鱼的游动模式与活体生物的差异,探索机器鱼最优的游动模式。并在此实验基础上探索一种新的高效游动控制模型。本项目的研究成果将为未来仿生水下航行器的高速、高效率、长航程游动提供合理的控制模型理论基础与模型实验测量方法。

本项目的研究目的是为未来仿生水下航行器的高效游动提供定量的实验测量手段、科学的测量结果和高效的游动控制方法。围绕仿生机器鱼的推进效率测量实验与仿真，我们从几个主要的方面进行了研究并取得相关的成果。1).提出了一种新的基于“自主推进”条件的实验测量方法，通过光机电一体化技术同步测量了机器鱼的功耗、外力以及流场结果，并定量估算了机器鱼的推进效率。2). 在测量平台基础上，我们系统地研究了不同运动模式对机器鱼的速度、效率、功耗以及流动结构的影响，并从工程学和比较生物学的角度分别讨论了如何提高机器鱼推进性能和活鱼的运动模式比较这两个方面的科学问题。3). 针对生物学家提出的疑问：倘若鲹科鱼类采用像鳗鲡或者金枪鱼模式的运动，推进性能会发生什么样的变化？而这些运动模式又各具备什么样的优势？目前的实验结果表明，相比其余两种运动模式(鳗鲡，鲹科)，金枪鱼推进模式在达到了最高的推进速度的也收获了最高的推进效率。4). 由于传统机器鱼运动控制算法未考虑机器鱼游动过程中的推进效率，本研究通过仿真结果分析并讨论了无量纲运动参数与推进性能之间存在的关系，并发现St数与尾鳍相对攻角之间的协调控制是提高并保持高推进效率的关键。通过基于无量纲参数的模糊控制方法，相比机器鱼传统的控制方法如PID控制算法，我们发现前者获得了更好的速度动态性能与更高的推进效率。5). 在太湖的水质监测应用中经过优化之后的机器鱼平台取得了13h的续航时间与49km的航程，平均速度达1.12m/s。. 以上研究成果将为未来高速、高效率、长航程的仿生水下航行器提供合理的模型实验测量方法并提供高效游动控制基础。