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水下仿生游动机器具有机动性好、推进效率高等优点,应用前景广阔。而两侧波动鳍推进型仿生游动机器是一类典型的水下仿生游动机器系统。本文针对两侧波动鳍推进型仿生游动机器,重点开展了其系统设计、建模、控制和路径规划等方面的研究工作,论文的主要内容如下:
首先,基于仿生机理和系统控制要求,给出了波动鳍推进游动机器机构设计、基于FPGA的游动机器驱动系统设计、基于ARM-Linux的实时控制系统设计,以及基于惯导系统的传感器系统设计。在此基础上,通过系统集成开发了游动机器的实验平台,以及辅助游动机器实验研究的远程控制平台。
其次,通过分析波动鳍的运动特征,提出并验证了波动鳍的运动控制参数调节方法。分析并提出了两侧波动鳍的协调控制策略,实现了游动机器前向、后向、侧向、旋转等多种游动模式。在此基础上,提出了基于有限状态机和游动模式切换相结合的避障控制策略。
第三,开展多种游动模式的开环控制实验研究,通过实验数据分析提出了一种合理的游动机器模型简化方法,进而结合加权递归最小二乘、神经网络等方法建立了几类典型游动模式下游动机器控制量和输出量之间的模型。
第四,提出了基于模糊控制器和PID控制器相结合的切换控制方法,实现了游动机器偏航角和速度的控制。进一步改进游动机器系统控制结构,在模糊-PID切换控制基础上增加了基于参考模型的前馈补偿,提升了系统响应速度。
第五,深入分析了游动机器的路径规划要求和机构约束,提出了基于贝塞尔曲线的游动机器三维空间可行路径规划算法。在此基础上,针对在线规划、重规划和避障等要求进一步完善了路径规划算法。
最后,对本文工作进行了总结,并指出了需要进一步开展的研究工作。