柔性长鳍波动推进仿生水下机器人控制系统设计与实现

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　　1 引言

　　采用柔性长鳍波动方式推进的鱼类在游动过程中, 可在身体不发生形变的情况下仅依靠波动轻质柔软的长鳍获得推力, 并且通过改变鳍面产生的推进行波波形、波频、波长和波传播方向等要素控制推力的大小和方向 , 柔性长鳍的理论模型如图1 所示。这种推进方式属于奇鳍/对鳍(median and/or pair fin: MPF)推进模式, 具有可产生矢量推力并便于向水下机器人移植等显著优点, 因此具有广阔的应用前景和理论研究价值。

　　为了验证柔性长鳍波动推进方式应用于水下机器人推进控制系统研制的技术可行性, 国防科技大学于2003 底研制了基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型( 如图2 所示), 水面航行试验结果表明其前进、后退灵活自如, 仿生柔性长鳍波动推进过程中, 对水流体的扰动较小, 自噪声较弱。美国Northwestern University 也在同期完成了一套仿生柔性长鳍样机系统,在轨道上运行, 可以实现正向与逆向推进。本文就是以国内研制的基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为研究对象, 重点研究其控制系统的设计与实现问题。

　　2 控制系统构成及工作原理

　　仿生水下机器人试验模型的控制系统由推进控制模块、俯仰与平衡控制模块和转向控制模块构成,用于实现试验模型的航行稳定性控制和各种基本与复杂机动过程的运动控制。其系统构成如图3 所示。

　　* 推进控制模块: 由模仿鱼类柔性长鳍结构和波动方式的仿生柔性长鳍及其驱动控制系统构成。仿生柔性长鳍通过结构设计将鳍面波形参数( 波长与波幅等) 固化在致动机构中, 并仅利用一个电机驱动, 通过调节驱动电机的转速和转向控制波频( 波速) 和波传播方向, 从而实现矢量推力的大小与方向控制。

　　* 俯仰与平衡控制模块: 由重心调节模块及其驱动控制系统构成, 重心调节模块通过调节驱动电机的转向与旋转量控制配重块的位移方向和位移量, 从而改变整个载体重心轴向位移以产生俯仰力矩, 由此控制载体的俯仰姿态及沿轴向的动态平衡。试验模型通过将载体重心向下配置来实现横滚自由度的自稳。

　　* 转向控制模块: 由2 自由度“十”字形尾舵及其驱动控制系统构成, 试验模型运动过程中, 通过调节尾舵垂直面迎流角度提供偏航力矩实现转向控制, 调节尾舵水平面迎流角度以提供附加的俯仰力矩。

　　综上所述可知, 控制系统通过调节仿生柔性长鳍驱动电机的转速与转向、重心调节模块驱动电机的旋转量与转动方向以及“十”字形尾舵流体控制面的偏角和方向分别对推力、俯仰力矩与偏航力矩的大小和方向实施控制, 因此, 试验模型不仅具备实现前进、逆行、制动、转向与俯仰机动等基本运动模式的能力, 还可通过上述基本运动模式的组合控制实现更为复杂的三维运动模式。