徐继刚开题报告：单驱动仿生机器鱼多模式游动特性的实验研究

毕业设计（论文）开题报告论文题目单驱动仿生机器鱼多模式游动特性的实验研究一、 选题背景和意义：1.1 课题背景仿生机器鱼参照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件来实现水下推进的运动装置。现有机器鱼尾部摆动机构的驱动方式，绝大部分是采用多关节杆串联方式，但其机械机构复杂、控制难度大、运动效率低；采用人工肌肉、压电陶瓷驱动方式，但其技术还不成熟、控制难度大、应用场合限制多；因此，结构简单、控制容易，应用范围广的机器鱼的设计成为必然需求，MIT研制的机器鱼样机为这一需求提供了新思路：整个鱼体由特殊的弹性材料构成，通过电机拉动嵌在鱼体内的平板运动来带动整个柔性尾部的运动，实现鱼体的摆动推进1,2,3。课题组提出并实现了“变截面悬臂梁（连续梁）受迫振动响应模拟机器鱼体干线方程”的设计思想。目前对鱼体的实验研究很多都不符合自主游动的特点，自主游动是一个封闭系统，只存在流体动力作用2。另外，实验中真鱼的运动参数不可控。在自主游动的前提条件下利用机器鱼来研究变形体的流-固耦合动力学问题及其流动现象，已经成为研究热点。为验证样机具有不低于现有机器鱼的动力特性，同时论证理论研究与数值仿真成果（流-固耦合的动力学问题），需要针对单驱动仿生机器鱼进行多模式游动特性的实验研究，主要包括：巡游实验；加速滑行实验；转弯实验；推进力测量实验，并根据实验结果做拓展性研究，其研究成果将作为验证单驱动方式较传统驱动方式合理的有力论据。1.2 课题意义单驱动仿生机器鱼可以结合其他高新科学技术，解决人类生活中的实际问题：狭窄空间内的检测、生物观察和军事应用。通过深入研究鱼类游动的推进机理，一方面可以揭示鱼类高效游动的奥秘，了解鱼类游动的力学效应对鱼类的生理学、生态学、动物行为、微观进化和宏观进化的影响；另一方面，也为研制高效率、低噪声、高机动性、高稳定性和易隐蔽的水下潜器提供了新的思路4。通过理论模化、数值模拟和实验测量3种手段相配合，可以深入了解“鱼体流体”的流固耦合过程，从而揭示鱼类高效游动的内部机理，同时可以检测样机的仿生性能。一方面可以优化已有的驱动机构，为机构设计提供理论依据和实践指导；另一方面，可以发现高效节能的游动模式，提高机器鱼的游动性能。二、 课题关键问题及难点：1. 要实现在自主游动条件下单驱动仿生机器鱼的实验测量，必须解决移动台自动跟踪问题，使得机器鱼时时处在高速相机的视场范围内；2. 利用图像序列法对机器鱼游动中的标记点进行提取，数值处理得到运动学参数；3. 优化巡游、加速-滑行、转弯运动模式中的控制方法，使其达到快速性、平稳性；4. 针对能耗最小、速度最快等不同的目标函数，最优化加速-滑行的运动模式；5. 自主游动条件下的推进力测量，需要利用尾涡动力学来估算中频阶段机器鱼的推进力，并解释响应的水动力学现象；6. 根据机器鱼多运动模式下的游动特性实验改进样机设计，并逐步接近真鱼的游动效率和游动速度；注：开题报告可单独装订，但在院（系）范围内，封面和装订格式必须统一。三、文献综述（或调研报告）：3.1 仿生机器鱼的国内外研究现状美国麻省理工学院的Triantafyllou教授的研究组在1994年成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器金枪鱼RoboTuna，1995年推出了RoboTuna的改进版RoboPike，1998年，MIT研究组和美国Draper实验室联合研制了RoboTuna的最高版本VCUUV。2007年，MIT研制出最新的一代机器鱼样机，整个鱼体是由特殊的弹性材料构成，具有一定柔性，通过一个电机拉动平板运动来带动这个柔性尾部的运动，实现鱼体的摆动推进1,2,3。日本运输省船舶技术研究所的koichi Hirata教授研究组在仿生水下推进技术、机构设计和运动控制方法等方面开展了大量研究工作，开发了PPF系列和PF系列机器鱼。国内的仿生机器鱼研究起步较晚，主要研究机构有：北京航空航天大学、中科院自动化所、国防科技大学、中国科技大学、东南大学、哈尔滨工程大学以及哈尔滨工业大学等，这些单位的研究工作均在某些方面形成了自己的特色。北京航空航天大学研究组5在仿生机器鱼的运动机理、机构设计与控制等方面开展了大量研究工作，研制了仿鳗鲡机器人、仿海豚机器人，以及SPC系列仿鱼形机器人。中科院自动化所研究组6在仿生机器鱼的运动控制、感知信息处理、多机器人协调控制方法方面展开了大量研究工作，开发了多种类型的微小型仿生机器鱼样机和多样机协调控制系统。东南大学研究组采用单驱动方式，应用变截面悬臂梁（连续梁）受迫振动的振型函数来模拟机器鱼体干线方程的柔性变形，这种驱动方式能有效的节省能量，虽然和真实鱼体游动的机动性和稳定性相比还有一定差距，但是对推动仿生机器鱼的发展有一定的推动作用。3.2 机器鱼实验研究的国内外研究现状目前，活鱼实验研究最为常见，而针对机器鱼的实验研究较少。MIT的Pablo1采用空气轴承固定支撑鱼体，保证鱼的运动路线沿着导轨方向，鱼体游动速度即为测力装置速度。采用测力传感器测出净力N，净力N为驱动力T减去鱼受到总阻力D。采用了上下限估算法，分别估算推进力最大值和最小值，然后对两者平均得出推进力。为机器鱼在启动瞬间的推进力，此时速度为零，阻力为零，测出的。是通过净力N加上估算的最小平均阻力值得到。与的均值就是某频率下的推进力。最大平均阻力可以通过测量机器鱼被拖拽时的阻力，因为正常游动时，身体波动具有减阻效应，流体阻力小于被拖拽时的阻力。原方法误将最大平均阻力视为最小平均阻力，另外将机器鱼与测量平台固定在一起就限制了鱼体的自主游动，测出的数据具有局限性。上下界的确定，特别是阻力的估算不具有说服力，甚至有逻辑错误。可以考虑。MIT的Brenden P. Epps 等人3应用速度粒子成像技术和荧光染料可视化技术研究机器鱼的游动特性：当机器鱼在正常游动模式下，产生一个V形的双尾迹，并在远处形成两个反卡门涡街，本质上，属于自主游动模式下的间接法，其在中频阶段理论推导的推进力估算公式被实验所验证，因此，可以认为推进力测量的间接法为机器鱼的推进力测量开辟了新的方向。北航的文力与清华大学的吴冠豪合作7，8，9，运用跟踪平台测量机器鱼直线巡游模式下的动力特性，本质上，属于非自主游动模式下的直接法，实验结果为双列反卡门涡街，与真鱼和仿真尾涡不一致，造成上述结果的根本原因是：机器鱼的头部被固定不动，即便是运用推进力反馈来保持平台速度与机器鱼的一致，也破坏了头部涡流的产生，从而最终影响机器鱼的尾涡效应；另外，错误的认为仅仅需要考虑水平方向的刚体受力平衡就可以研究水平方向自主游动，没有将尾流的推力考虑进来，没有认识到变形体的水下研究不同于刚体的研究。参考文献：1 Valdivia PDesign of Machines with Compliant Bodies for Biomimetic Locomotion in Liquid EnvironmentsD：PhD thesisAmerica：Department of Mechanical Engineering of MIT，20062 Pablo Valdivia y，Alvarado，Kamal Youcef-ToumiDesign of machines with compliant bodies for biomimetic locomotion in liquid environmentsJJournal of Dynamic Systems，Measurement and Control，2006，128：3-133 Epps BP，Valdivia y Alvarado P，Yousef-Toumi K，et alSwimming performance of a biomimetic compliant fish-like robotJExp Fluids Exp Fluids，2009，47：927-9394 Michael Sfakiotakis, David M. Lane, J. Bruce C. Davies Review of fish swimming modes for aquatic locomotionJ.IEEE Journal of Oceanic Engineering,1999,24:237-2525 粱建宏，邹丹，王松，等SPC-II机器鱼平台及其自主航行实验J北京航空航天大学学报，2005，31(7)：709-7136 喻俊志，陈尔奎，王硕仿生机器鱼研究的进展及分析J控制理论及应用，2003，20(4)：485-4917 Guanhao Wu, Yan Yang, Lijiang Zeng. Novel method based on video tracking system for simultaneous measurement of kinematics and flow in the wake of a freely swimming fishJ.Review of Scientific Instruments,2006,77,114302:1-78 Guanhao Wu, Yan Yang, Lijiang Zeng. Kinematics, hydrodynamics and energetic advantages of burst-and-coast of koi carps(Cyprinus carpio koi) J.The Journal of Experimental Biology,2007,210:2181-21919 Li wen,Tianmiao Wang, Guan-Hao Wu,Jinlan Li. A novel method based on a force-feedback technique for the hydrodynamic investigation of kinematic effects on robotic fish J. 2011 IEEE international conference on robotics and automation shanghai international conference center 203-208四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：4.1、机器鱼的多模式运动4.1.1巡游实验1）选取机器鱼在运动过程中比较经典的图像，宏观展现机器鱼的巡游过程；2）处理得到鱼头波动图像-t；3）鱼体上各个标记点的运动情况。首先从每幅图像中得到各个点x方向和y方向与原始值的波动，再利用图像之间的时间间隔t，得到各个点随时间的波动图像s-t，然后处理得到v-t，a-t图像；4）鱼尾的摆动角度和摆动幅度对时间的图像-t、A-t，与理论输入尾部的驱动图像A-t对比；5）把处理过的图像叠加，计算得到鱼体的挠曲线方程；6）通过稳态游动速度探究尾部摆动频率和摆幅对稳态游动速度、输入功率及效率的影响，对比实验测量与数值仿真。4.1.2转弯实验1）两种转弯模型：第一种为多次单侧摆尾转弯，可以分为左转和右转；第二种为巡游过程中，当按下某一按钮后的最近一次达到极限位置，且能实现左转和右转时停住，直到按下该按钮，退出该转弯模式；2）和巡游中讨论方式一样，首先给出宏观图像；3）尾尖运动试验情况与理论比较。接着可以研究鱼尾的角度以及角速度性能，即-图像；4）研究这种运动模式下机器鱼的头部摆动情况，得到-t图像；5）根据相机的追踪图像信息，得到鱼体上某一点在鱼缸中的坐标变化，假定鱼开始地方为坐标起点，得到鱼体运动情况，相比刚开始的宏观图，这个数据图更有说服力，说明了我们如何得出转弯模型的半径和角速度等信息。6）对于第一种模型详细讨论f和A对转弯半径r和角速度的影响，分别得出r-f、r-A、-f、-A图像，同时讨论转弯前的稳态速度对转弯参数的影响。对于第二种模型详细讨论转弯前速度v以及转弯幅度A对转弯参数的影响，得出r-v、r-A、-v、-A图像。同时获得鱼体系下体干线方程，对比实验测量与数值仿真。4.1.3加速滑行实验1）让加速时间固定，改变滑行时间，分别将尾尖的理论运动情况与实验结果比较，并得出稳态速度与时间比率的v-i曲线图像，目的是找到加速滑行时间比对加速滑行的影响。2）根据上面结论给定较好的时间比，比较摆尾周期不同情况下的运动情况，可以验证摆尾次数对模型的影响。图像处理方法同上。3）上面得到比较理想的加速巡游过程，得出它的v-t图像，并加以分析。4）改变两次滑行或加速的时间比，寻求一种更灵活的加速滑行模型而且可以提高速度。同时获得鱼体系下体干线方程，对比实验测量与数值仿真。 a）加速时间相同，滑行时间按1:1、1:2，1:3等变化。同时在图上表示出滑行总时间与加速总时间比率对稳态速度影响。可以得到一个最理想的加速与滑行时间比，与简单加速巡游模式下的时间比对比分析。b）滑行时间相同，加速时间按1:1，1:2，1:3等变化。表现方式及处理方式同a。 c）滑行时间按1:1,1:2,1:3等变化，加速时间亦是这样，加上加速滑行时间比这个条件，得出一个三维图像。4.1.4 推进力测量在机器鱼自主游动的条件下，通过尾流测量并运用涡流动力学来估算推进力；要实现在自主游动条件下单驱动仿生机器鱼的实验测量，必须解决移动台自动跟踪问题，使得机器鱼时时处在高速相机的视场范围内；具体的实现办法：高速相机记录机器鱼的尾流情况（速度粒子成像PIV）；普通相机采集机器鱼的图像，并实时处理得到机器鱼，相对于移动台的游动速度，并将相对速度反馈给移动台做跟踪调整，使得机器鱼在高速相机的视场范围内。4.1.5拓展性研究根据水下实验研究的结果，给出尽可能的水动力学解释；实验测量与仿真结合来估算推进力；对现有机构提出改进意见。4.2、实验台测量平台的主要组成部分是X-Y双坐标运动台，可沿两个正交方向带动工作台上的负载运动；两个方向平台的移动是依靠电机转动带动滚珠丝杆结构从而带动平台移动；电机的控制是依靠两个伺服系统，伺服系统由滚珠丝杠工作台、连轴器、交流伺服电机及其驱动器、PMAC运动控制卡和PC机组成。利用平台上固定的普通相机和高速相机获取机器鱼的运动图像以及尾部流体现象，并为移动台的控制提供反馈量。4.3、标记点与图像序列处理实验利用高速摄像机记录机器鱼游动过程，然后通过对序列图像的处理得到机器鱼的运动学参数。为了便于后期的图像处理实验时在机器鱼身上贴有多个标记点。单帧图片的处理目的就是提取各个色标在图片中的位置坐标，根据坐标信息然后处理得到我们前面想要的各种图像。单帧图片的处理流程主要是标记点坐标的获取。4.3.1单帧图像处理a） 利用matlab的图像读取函数imread（）来完成。依次读取背景图像和当前图像。b） 将当前图像与背景图像作差分运算，保留机器鱼的运动区域。c） 取出鱼体运动区域后，对图像作二值化处理。d） 由于色标与背景的灰度值极为接近，在差分去除背景的同时也将色标区域给去除掉了，区域填充恢复色标区域。e） 利用图像相乘处理与原始图片相乘得到标记点位置。f） 保留标记点。即保留图中白色鱼体上黑色的范围设为白色，其余的部分全部设为背景色。也就是二值化处理。g） 用“种子填充法”来分别寻找各个标记点区域。h） 确定各个色标的中心坐标。并将其写入xls文件中，以备后续相关处理。i） 鱼体体干曲线拟合。得到各个色标的位置坐标后，可以拟合得到机器鱼身体题干曲线，显示了当前时刻机器鱼身体的运动状态。4.3.2 序列图像处理a） 可以得到每张图鱼体标记点在一张图片中的坐标（即（xi1,yi1），当然可以得到鱼头坐标点1坐标（x11,y11）=（a，b），点2（x21,