基于传感器的仿生机器鱼智能控制研究

• 作 者: 桑海泉
• 机 构: 中国科学院自动化研究所
• 出 处: 中国科学院自动化研究所
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 仿生机器鱼 智能控制 红外传感器 视觉导航

在国家高技术研究发展计划(863计划)和国家自然科学基金的支持下，本文开展了基于传感器的仿生机器鱼智能控制及协调研究，提出了基于红外传感器的自主避障算法、基于实时视觉信息处理的机器鱼导航控制算法及多机器鱼巡逻控制算法，最后，将控制算法集成到基于仿生机器鱼的水下监测系统上。
第一，本文介绍了鱼类游动的特点和仿生机器鱼研究的目的、意义，综述了国内外在鱼类推进机理、仿生机器鱼研制以及控制方面的研究概况、主要研究内容及发展方向，并对本文的选题背景和主要内容进行了介绍。
第二，基于红外传感器阵列，本文提出了自主避障仿生机器鱼设计方案，介绍了机器鱼的设计步骤；对机器鱼的五种上浮下潜设计方案进行了比较，采用附加胸鳍方式实现机器鱼的上浮下潜控制；基于机器鱼的速度控制、方向控制和上浮下潜控制，设计了机器鱼的9种基本运动，提出了一种基于规则推理的智能避障控制方法，并通过避障实验验证了控制方法的有效性。
第三，以实时视觉信息处理为基础，研究了机器鱼视觉导航控制问题。以机器鱼趋光行为为背景，提出了非结构化环境下的机器鱼视觉导航控制策略和控制算法；以管道探测为应用背景，研究基于颜色路标的导航问题，提出了半结构化环境下机器鱼视觉导航控制算法和基于拓扑的管道地图构建方法。机器鱼趋光实验和管道探测实验验证了控制策略和控制算法的有效性。
第四，结合机器鱼巡逻任务，研究了多机器鱼的协调控制问题，设计了机器鱼的基本行为，提出了基于行为的多机器鱼系统控制结构；提出了机器鱼的巡逻控制算法和多机器鱼队形保持算法；最后实验与仿真结果表明了算法的有效性。
第五，提出了基于仿生机器鱼的水下监测系统体系结构，介绍了各部分的功能，提出了MEMS传感网络设计及三自由度胸鳍控制方法；定义了机器鱼巡逻方式和巡逻轨迹规划方法，改进了部分基本运动的实现方式及运动控制方式；基于水下监测任务，引入了四种行为，提出了机器鱼的两种控制模式；最后，给出了机器鱼自主游动模式下的多传感器信息融合框架。
最后，对所开展的工作进行了总结，并指出了需要进一步研究的工作。