仿生水下机器人运动控制方法研究

仿生水下机器人运动控制方法研究

o 成 巍 李喜斌 孙俊岭 袁建平 徐玉如

哈尔滨工程大学水下机器人技术实验室

［摘 要］　近年来仿生技术在水下机器人上的应用已经成为水下机器人的重要研究方向之一。仿生水下机器

人采用尾鳍提供前进动力和改变航向，比传统的桨舵具有高效性和高机动性。本文根据仿生水下机器人水池

试验结果讨论了其运动性能，并在此基础上提出了仿生水下机器人运动控制方法，最后通过仿真试验验证了

该方法的可行性。运动控制研究，是仿生水下机器人其它使命的基础，具有重要的意义。

［关键词］水下机器人；仿生推进；智能控制

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ｈａｓ

ｂｅｅｎ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ．　Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｒｕｄｄｅｒ，　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ　ＵＶ

ｉｎｓｐｉｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｉｓｈ　ｃｒｕｉｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｕｒｎｓ　ｂｙ　ｉｔｓ　ｃａｕｄａｌ　ｆｉｎ，　ｗｈｉｃｈ　ｇｉｖｅｓ　ｍｏｒｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ

ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ．　Ｆｉｒｓｔ　ｗｅ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ　ＵＶ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ

ｏｆ　ｉｔｓ　ｗａｔｅｒ　ｔａｎｋ　ｔｅｓｔｓ．　Ｔｈｅｎ　ｗｅ　ｇｉｖｅ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｈｅｒｅ．　Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ

ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｔ　ｌａｓｔ．　Ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｍｅａｎｉｎｇｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ

ＵＶ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｏｔｈｅｒ　ｔａｓｋｓ．

［Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ］　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ，　ｂｉｏｎｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ．

０．引言

近年来，模仿水生动物推进方式的仿鱼尾推进系统应用于水下无人探测器的可行性已经得到了初步的验证。如美国ＭＩＴ的ＲｏｂｏＴｕｎａ　［１］、美国Ｄｒａｐｅｒ实验室的ＶＣＵＵＶ［２］、日本东京工业大学的机器海豚［３］、哈尔滨工程大学的“仿生－Ⅰ”［４］等，都采用了具有较高巡游速度的金枪鱼或海豚作为模型，研究仿生推进和操纵系统，以期改善传统水下机器人推进和操纵性能，增强水下机器人的运动能力。仿生水下机器人采用尾鳍提供前进的动力和改变航向，与传统的采用桨舵的水下机器人在运动性能和控制方法上都有很大的差别。因此，研究仿生水下机器人的操纵控制方法成为其重要的研究方向之一。本文以“仿生－Ｉ”为研究对象，根据其船模试验水池（１０８×７×４ｍ）试验了解其运动性能，并在此基础上讨论其运动控制方法。

１．“仿生－Ｉ”结构

仿生水下机器人“仿生－Ｉ”号，以蓝鳍金枪鱼为蓝本，长２．４ｍ，最大直径０．６２ｍ，排水量３２９ｋｇ，负载能力７０ｋｇ，潜深１０ｍ，配有月牙形

［作者简介］　成巍（１９７７–），河北张家口，博士生，研究领域：机器人运动控制与仿真、生物流体力学。

尾鳍和一对联动胸鳍，其外形如图１所示。尾部为具有三个节点的摆动机构，约占总长的１／３，采用涡轮涡杆传动，其中前两个节点通过齿轮联动，控制尾柄的摆动，并通过包裹在外面的蒙皮形成整个鱼体的流线型，最后一个结点则用来控制尾鳍的运动。该结构所产生的运动与金枪鱼的游动方式相适应。研究表明，金枪鱼在高速游动时，躯体的前三分之二几乎没有摆动和变形，后三分之一则带动尾鳍以常频摆动，尾鳍接近于刚性，前进中躯体的横移极小。机器人采用大展弦比的月牙形尾鳍，通过尾鳍的摆动提供前进的动力和转艏的力矩；胸鳍则可以控制机器人的深度。尾鳍和胸鳍均采用ＮＡＣＡ００１８翼型。躯体中部的背鳍和胸鳍可起到减摇作用。该机器人在加装光纤陀螺、深度计和定位系统后，可实现艏向、深度和纵向速度的闭环控制。为防止电机反向对尾部传动机构冲击过大，设定电机不能反向，因此尾鳍在一个摆动周期内一定会摆动到两个极限位置。

２．“仿生－Ｉ”运动能力

“仿生－Ｉ”的结构决定了其运动能力，下面给予详细叙述。

“仿生－Ｉ”的胸鳍只可以做一个自由度的转动，可控制仿生水下机器人的升沉或纵倾。

因为只在鱼的前体装有一对联动胸鳍，不具备同时调整升沉和纵倾的能力。但在较低航速（μ＜１．０ｍ／ｓ）时，鱼体纵倾不超过５。

，可利用其纵向恢复力矩自动调节，因此通常只利

用胸鳍调整深度，但当航速较高时，纵倾增大，会使航速降低。另外，胸鳍本身是个升力面，只

有当航速较高时，才有较好的控制作用。同时应该注意到失速现象的存在，所以通常应控制胸鳍转角在一定范围之内（攻角可能会更大），此处取胸鳍最大转角θｐ＜２０。。

“仿生－Ｉ”尾鳍以某频率摆动，能够提供前进的动力，水池试验中最大摆动频率１．３Ｈｚ，仿真试验中最大摆动频率２．０Ｈｚ。当其一个摆动周期内频率发生变化时，会形成转艏。通过调整尾鳍的摆动，“仿生－Ｉ”具有纵向速度和艏向控制能力。

当仿生水下机器人静止，尾鳍以某固定频率摆动时，机器人会经过一个加速段，最终达到相应的稳定航速。图２为水池试验和仿真试验频率－航速关系对比图，其中仿真试验当频率较高时，人工处理纵倾为零，仅考察尾鳍的推力性能。可以看到，仿真结果比试验值偏大，这

　图１仿生水下机器人“仿生－Ⅰ”号

图２　频率－航速关系

是由于试验中“仿生－Ｉ”的配重浮球所产生的阻力、水面兴波产生的兴波阻力，以及电缆和信号缆所产生的拉力对机器人的航速都有较大影响。应该注意的是，在仿生水下机器人由静止到稳定航速间的加速段，尾鳍的进流速度不断增加，造成尾鳍一个摆动周期中产生的侧向力和力矩平均值不为零，仿生水下机器人会产生偏航，这在水池试验和仿真试验中都有体现。当机器人达到稳定航速时，偏航停止。水池试验因条件所限，未能观察偏航角；仿真试验中偏航角在１０。￣１８。。

当仿生水下机器人尾鳍摆动一个周期内两极限位置间的频率不同（设分别为ｆ１和f ２）时，会发生转艏，可利用这一点调整艏向。这里未采用某些鱼类的单侧尾鳍摆动，主要是从保持航速的角度考虑，同时也可以增长转艏力矩的作用时间。同时可以在尾鳍以较高频率摆动到极限位置后停顿一定时间，以增长流体作用时间，提高转艏速度。在水池试验中，我们取两频率分别为１．０Ｈｚ和０．２Ｈｚ，停顿时间１ｓ，做了原地回转试验，其回转直径为４ｍ，回转周期为５０ｓ。同样的参数，仿真结果如图３所

示，其回转直径６．６ｍ，回转周期８３ｓ，转艏速度为４．４４ｄｅｇ／ｓ。

考虑一种极限情况，将上述两个频率之一取零，即当鱼类在以较高速度游动时，尾部突然摆动到摆幅位置停住，利用尾部的侧向力和力矩实现急转。水池试验中，“仿生－Ｉ”以１．０Ｈｚ摆动到稳定航速时，急停，３ｓ后做上述的原地回转运动，结果在停顿过程中转艏４５。

，并在２０ｓ内完成了１８０。

转艏；同样参数，仿真结果如图４所示，停顿过程转艏３２。

，转艏角速度１０．６７ｄｅｇ／ｓ，

并在２４ｓ内完成了１８０

。

转艏。上述两种回转

运动中，试验结果均比仿真结果转艏速度快、回转半径小，原因是水池试验中鱼体上约束较多，虽然限制了其回转速度，但同时也限制了其进退和横移的速度，使仿生水下机器人能在比仿真器更短的时间以更小的半径回转。

仿生水下机器人在运动过程中，由于尾部的摆动，会造成横倾，也呈周期性变化。但尾鳍摆动频率较高时，横倾不超过５。

，可通过横向恢复力矩自动调节。

３．“仿生－Ｉ”运动控制方法

图３　仿真原地回转试验

　图４　仿真急停转艏