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基于改进Bi-RRT算法的机器鱼路径规划方法

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山东大学学报（工学版） 2024年第1期54卷 74-82页

作者：黄健堃薛钢刘延俊王雨李厚池白发刚山东大学机械工程学院山东济南250061 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061 山东大学机械工程国家级实验教学示范中心山东济南250061 山东大学海洋研究院山东青岛266237

为提高机器鱼的水下路径规划效率,更好地完成水下工作,提出一种基于改进双向快速搜索随机树(bidirectional rapidly-exploring random trees,Bi-RRT)算法的机器鱼路径规划方法。以研制的混合驱动机器鱼为研究对象,介绍其结构模型和运动... 详细信息

为提高机器鱼的水下路径规划效率,更好地完成水下工作,提出一种基于改进双向快速搜索随机树(bidirectional rapidly-exploring random trees,Bi-RRT)算法的机器鱼路径规划方法。以研制的混合驱动机器鱼为研究对象,介绍其结构模型和运动控制模式,为后续试验验证提供物理样机。针对Bi-RRT算法存在的采样随机、路径冗余、效率不高等问题,融合生长引导机制和连接强化机制改进Bi-RRT算法,加入生长引导机制,改善随机树生长随机、两树连接慢的问题;加入连接强化机制提高算法搜索速度。对搜索路径进行优化处理,通过剔除冗余节点、插入优化节点,改善路径质量,对路径进行平滑处理,使路径更适合机器鱼航行,实现机器鱼路径规划任务。仿真结果表明,与传统Bi-RRT算法及其他衍生快速搜索随机树(rapidly-exploring random tree,RRT)算法相比,改进的Bi-RRT算法相较于改进前节点数减少约50.8%,路径长度缩短约19%,搜索时间减少约65.3%。

关键词：机器鱼 Bi-RRT算法路径规划节点简化路径平滑

基于跟踪误差约束的机器鱼抗扰动路径跟踪控制

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仪器仪表学报 2024年第4期45卷 282-293页

作者：李东方张滨新曾林林黄捷宋爱国福州大学电气工程与自动化学院福州350108 东南大学仪器科学与工程学院南京214135

为了解决机器鱼在扰动下跟踪效率低的问题,本工作提出了一种抗扰动和自适应的误差约束控制方案。首先,通过设计虚拟控制输入,并利用积分环节更新了自适应视线制导律,消除了侧滑导致的运动位置偏离,增强了机器人的抗干扰能力。其次,通过... 详细信息

为了解决机器鱼在扰动下跟踪效率低的问题,本工作提出了一种抗扰动和自适应的误差约束控制方案。首先,通过设计虚拟控制输入,并利用积分环节更新了自适应视线制导律,消除了侧滑导致的运动位置偏离,增强了机器人的抗干扰能力。其次,通过构造机器鱼的偏航和浪涌自适应控制器,使神经网络函数拟合模型的不确定项和水流扰动,并用逼近值补偿系统的控制输入。这提升了机体的环境适应性。最后,利用障碍Lyapunov理论,机器鱼跟踪位置和角度的一致最终有界性被证明。通过模拟和实验,与经典制导方案相比,所提方案提高了机器鱼的跟踪效率和稳态性能,使机器鱼的位置误差收敛速率平均提升了14.57%。

关键词：机器鱼误差约束自适应视线制导抗扰动路径跟踪

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仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能胸鳍结构设计与实验

水下无人系统学报 2024年第1期32卷 32-39页

作者：李博余应明曹永辉郝艺伟潘光曹勇西北工业大学宁波研究院无人航行技术研究中心浙江宁波315048 西北工业大学航海学院陕西西安710072

现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点,特别是前向游动稳定性,但倒游性能研究不足,因此文中针对性地讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能。分别设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构,通过对比实验测试验证了分... 详细信息

现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点,特别是前向游动稳定性,但倒游性能研究不足,因此文中针对性地讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能。分别设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构,通过对比实验测试验证了分体胸鳍结构较完整胸鳍结构倒游推力的优越性,通过推力和电流的比值进一步分析能耗转化效率。实验研究了前游和倒游推力与幅值和频率变化之间的关系,并且通过采集的电流数据,整理出2种胸鳍结构在前游和倒游工况下的推力等效效率与幅值和频率变化关系曲线;分析了2种胸鳍结构产生推力及推力等效效率的原因。实验结果表明:前游工况下,2种胸鳍推力值接近,倒游工况下,随着幅值和频率的增加,分体胸鳍结构倒游推力增加明显,最大可达0.22 N;前游工况下,分体胸鳍结构推力等效效率较完整胸鳍稍差,倒游工况下,随着幅值和频率的增加,分体胸鳍结构倒游推力等效效率有显著提升。文中对分体胸鳍结构的设计为探究基于摆旋机构推进机器鱼倒游性能提供了参考。

关键词：仿牛鼻鲼机器鱼胸鳍设计倒游性能

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上海海洋大学机器鱼大学生创新团队

作文与考试（高中版） 2024年第12期 26-26页

研一学生姜书侠与上海海洋大学机器鱼创新实验室的故事,开始于2021年4月9日。那天,孔祥洪老师带着团队,到东极岛进行海上试验,在协助团队工作中,他第一次接触了机器鱼。机器鱼也叫仿生鱼,它可以模仿真实鱼的生物游动机理,混入鱼群,带回... 详细信息

研一学生姜书侠与上海海洋大学机器鱼创新实验室的故事,开始于2021年4月9日。那天,孔祥洪老师带着团队,到东极岛进行海上试验,在协助团队工作中,他第一次接触了机器鱼。机器鱼也叫仿生鱼,它可以模仿真实鱼的生物游动机理,混入鱼群,带回大量数据,是水下创新科研的好载体。

关键词：机器鱼创新实验室上海海洋大学海上试验大学生创新团队研一学生东极岛创新科研

尾鳍柔性变形对仿生机器鱼自主游动性能影响的研究

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中国造船 2022年第5期63卷 22-33页

作者：冯亿坤苏玉民刘焕兴王兆立徐小军国防科技大学智能科学学院长沙410073 哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室哈尔滨150001 北京特种机械研究所北京100143 北京控制工程研究所北京100094

基于计算流体力学方法,数值模拟仿生机器鱼3自由度自主游动,比较刚性尾鳍和柔性变形尾鳍的推力、鱼体游动功率消耗和尾鳍前缘处的涡结构。计算结果表明,在相同运动参数下,柔性尾鳍能使机器鱼在加速阶段游得更快,而刚性尾鳍使机器鱼在巡... 详细信息

基于计算流体力学方法,数值模拟仿生机器鱼3自由度自主游动,比较刚性尾鳍和柔性变形尾鳍的推力、鱼体游动功率消耗和尾鳍前缘处的涡结构。计算结果表明,在相同运动参数下,柔性尾鳍能使机器鱼在加速阶段游得更快,而刚性尾鳍使机器鱼在巡游阶段游得更快;尾鳍柔性变形能降低巡游阶段机器鱼的侧向速度和首摇角速度的波动幅值,有利于航向稳定。游动速度对柔性尾鳍的推力有明显的负面影响,而对刚性尾鳍的推力影响不大。刚性尾鳍适用于机器鱼在较小的尾鳍侧向平移幅值下巡游,而柔性尾鳍适用于机器鱼在较大的侧向平移幅值下巡游。尾鳍的柔性变形会延迟前缘涡的产生和脱落,导致尾鳍在一个游动周期中的某个时间段形成阻力,不利于机器鱼高速巡游。

关键词：机器鱼自主游动柔性变形数值模拟水动力

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机器鱼诱鱼技术在集鱼过程中的应用前景

生态学杂志 2023年第5期42卷 1225-1233页

作者：石小涛周柳青林晨宇陈俊刘振彪谢广明三峡大学湖北省鱼类过坝技术国际科技合作基地湖北宜昌443002 三峡大学水利与环境学院湖北宜昌443002 北京大学工学院北京100871 北京大学海洋研究院北京100871 鹏程实验室广东深圳518055

利用仿生机器鱼调节鱼类行为在鱼类资源保护中具有重要意义,为开发诱驱鱼技术提供了新的思路。本文基于国内外机器鱼的研究现状,分析机器鱼诱鱼技术的视觉诱导机理、尾流场诱导机理、电信号诱导机理,归纳了影响机器鱼诱鱼技术的主要因素... 详细信息

利用仿生机器鱼调节鱼类行为在鱼类资源保护中具有重要意义,为开发诱驱鱼技术提供了新的思路。本文基于国内外机器鱼的研究现状,分析机器鱼诱鱼技术的视觉诱导机理、尾流场诱导机理、电信号诱导机理,归纳了影响机器鱼诱鱼技术的主要因素,总结了国外机器鱼调节鱼类行为的相关研究成果,探讨了机器鱼诱鱼技术的应用前景,为机器鱼诱鱼技术的进一步发展提供参考。

关键词：机器鱼诱鱼技术视觉尾流场电信号鱼类行为

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机器鱼的运动控制以及路径规划算法研究进展

船舶工程 2022年第S1期44卷 455-458页

作者：胡鑫一蔡振宇左可文詹若璞郭攀峰三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002

针对机器鱼实际工作中控制难度较高的问题,文章在介绍单机器鱼运动控制、路径规划算法的基础上,介绍了机器鱼群的编队控制算法。上述算法的发展和突破主要是通过将传统控制方法与智能算法相结合,并结合实际应用场景对算法进一步优化,以... 详细信息

针对机器鱼实际工作中控制难度较高的问题,文章在介绍单机器鱼运动控制、路径规划算法的基础上,介绍了机器鱼群的编队控制算法。上述算法的发展和突破主要是通过将传统控制方法与智能算法相结合,并结合实际应用场景对算法进一步优化,以解决传统控制方法鲁棒性差,不适合非线性模型等问题。此外,文章还指出对不同算法进行分装后,根据实际环境调用相应算法将极大地有利于单机器鱼乃至机器鱼群在未知水域的实际应用。

关键词：机器鱼机器鱼群传统控制算法智能算法

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基于频域互相关的机器鱼双曲线质心定位仿真

计算机仿真 2022年第10期39卷 414-419页

作者：刘力卿王伟张弛马小光国网天津市电力公司电力科学研究院天津300384 国网天津市电力公司设备管理部天津300384

为了保证机器鱼能够到达指定检测位置、并且避免与变压器内部组件发生碰撞,机器鱼需要准确定位。针对变压器内部黑暗空间中机器鱼难以定位的问题,提出一种基于频域互相关的机器鱼双曲线质心定位方法。采用高斯脉冲信号模拟机器鱼发射的... 详细信息

为了保证机器鱼能够到达指定检测位置、并且避免与变压器内部组件发生碰撞,机器鱼需要准确定位。针对变压器内部黑暗空间中机器鱼难以定位的问题,提出一种基于频域互相关的机器鱼双曲线质心定位方法。采用高斯脉冲信号模拟机器鱼发射的超声信号,然后采用快速傅里叶变换(FFT)将线性阵列接收的超声时域信号转化到频域,在频域内进行共轭相乘得到信号的互功率谱;然后将互功率谱进行傅里叶逆变换(IFFT)得到时域互相关函数,对互相关函数进行曲线峰值检测获得时间延迟和距离信息;最后通过双曲线算法和交点的质心计算获得机器鱼的准确定位。仿真对比分析了不同信噪比(10dB、0dB、-10dB)的定位性能,研究结果表明,上述方法能够准确获得机器鱼在变压器中的位置。

关键词：机器鱼超声阵列频域互相关双曲线定位

机器鱼自主游动中变形体耦合动力学的数值研究

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机械工程学报 2012年第15期48卷 32-37页

作者：万宏王超夏丹蒋明王兴松东南大学机械工程学院南京211189 西安交通大学机械工程学院西安710049 苏州科技学院土木学院苏州150001

为机器鱼的自主巡游、机动转弯和'加速—滑行'游动的动力学特性研究做准备,结合样机试验数据来证明所选驱动方式的优越性,提出一种新的求解机器鱼自主游动动力学的数值算法。认为鱼体质心在绝对系下的运动是由流体外力与自身主动变形共... 详细信息

为机器鱼的自主巡游、机动转弯和'加速—滑行'游动的动力学特性研究做准备,结合样机试验数据来证明所选驱动方式的优越性,提出一种新的求解机器鱼自主游动动力学的数值算法。认为鱼体质心在绝对系下的运动是由流体外力与自身主动变形共同作用的结果;运用离散化方法推导出新的鱼体域的控制方程,从而提出新的算法。给定鱼体系下机器鱼的主动变形方程,通过耦合求解鱼体域、流体域的控制方程,得到机器鱼的运动过程中的运动学和动力学参数。通过自主游动算例验证了所提数值算法的正确性。

关键词：机器鱼自主游动动力学数值模拟