基于嵌入式仿生機器魚控制方法的研究.pdf

1、本文是在國家自然科學(xué)基金“基于多控制面推進的仿生機器魚機構(gòu)設(shè)計與融合控制（60865004）”的支持下完成的。主要以鲹科魚類作為研究對象，圍繞仿生機器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計、游動姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃、視覺算法、追蹤目標(biāo)物控制算法的研究等方面展開。針對多鰭機器魚的控制算法進行了研究，實現(xiàn)仿生機器魚在水中安全、機動、快速躲避障礙物和追蹤目標(biāo)物，本文研究的主要內(nèi)容和成果有：
　　1、在對鲹科魚類二維穩(wěn)態(tài)游動進行仿生研究的基礎(chǔ)上，對多鰭機器魚的主體方案

2、進行了設(shè)計，主要從機械結(jié)構(gòu)方面和控制結(jié)構(gòu)方面進行設(shè)計。機械結(jié)構(gòu)上：通過參考自然界魚類的形體特征，給仿生機器魚設(shè)計了殼體、胸鰭、背鰭、腹鰭和尾鰭結(jié)構(gòu)并通過機械加工技術(shù)把各部分連接成一個統(tǒng)一的整體。控制結(jié)構(gòu)方面：基于仿生機器魚的用途，給仿生機器魚設(shè)計了無線通信模塊、攝像頭模塊、傳感器模塊、電源模塊、外圍接口模塊、運動控制模塊等硬件資源并對其電路進行設(shè)計?；趯C器魚實時監(jiān)控的目的，給仿生機器魚設(shè)計了軟件監(jiān)控平臺來接收機器魚從水下傳來的各種信

3、息。
　　2、通過對嵌入式系統(tǒng)的詳細(xì)介紹以及魚類在水下需要完成的任務(wù)，給仿生機器魚定義了多種運動狀態(tài)，包括直行（STRAIGHT）、倒行（RETROACT）、懸停（STATIC）、減速（SLOW DOWN）、加速（QUICKEN）、左轉(zhuǎn)彎（LEFT-TURN）、右轉(zhuǎn)彎（TURN-RIGHT）、下潛（DESCEND）、上?。≧ISE）、平動（HORIZON）10種基本運動，并對各種運動狀態(tài)的控制的方法進行了描述，最后通過實驗驗證了控

4、制方法的有效性。
　　3、以仿生機器魚的運動狀態(tài)為基礎(chǔ)，在仿生機器魚的頭部安裝了多種傳感器，并對傳感器的安裝位置進行設(shè)計，最后通過多傳感器融合技術(shù)與產(chǎn)生式規(guī)則對仿生機器魚的游動路徑進行了具體設(shè)定，其中包括：水下游動規(guī)則、危險碰撞度規(guī)則、上升下潛意愿度規(guī)則。
　　4、通過對仿生機器魚的尾部運動學(xué)分析得出機器魚在水下游動時尾部與障礙物之間存在一個危險碰撞距離，基于仿生機器魚在水下避開障礙物后尾部與障礙物之間的數(shù)學(xué)關(guān)系給仿生機器魚

5、尾部設(shè)定安全區(qū)域，從而解決機器魚躲避障礙物后尾部與障礙物的碰撞問題，最后通過實驗驗證了該方法的有效性，仿生機器魚在水下躲開障礙物后尾部不與障礙物發(fā)生碰撞。
　　5、以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，ARM9為控制板設(shè)計了視覺追蹤算法，分別對圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)、圖像分割算法(設(shè)定閾值的方法)、圖像標(biāo)定算法以及視覺追蹤算法進行了設(shè)計編寫（關(guān)鍵代碼見附錄）。最后通過實驗驗證了視覺追蹤算法的有效性。
　　通過本文的研究工作，希望在機器魚運動控制算法方面