基于NMPC的仿生海豚三维路径跟踪研究 被引量：1

1

作者 陈昭阳 陈宏 +1 位作者 付乐乐 巩伟杰 《传感器与微系统》 北大核心 2025年第4期56-59,64,共5页

针对仿生机器海豚在水下三维路径跟踪过程中的参数时变、模型复杂与外界环境干扰等问题,研究了一种基于非线性模型预测控制(NMPC)的路径跟踪控制方法;算法采用模型预测和约束优化相结合的方式来求解控制量,使仿生机器海豚在具有强烈非... 针对仿生机器海豚在水下三维路径跟踪过程中的参数时变、模型复杂与外界环境干扰等问题,研究了一种基于非线性模型预测控制(NMPC)的路径跟踪控制方法;算法采用模型预测和约束优化相结合的方式来求解控制量,使仿生机器海豚在具有强烈非线性特点的三维环境下克服反步控制算法的速度跳变与超速问题,并能在满足控制约束的条件下有效完成路径跟踪任务;最终通过MATLAB仿真实验与实物实验,验证了跟踪算法在不同环境下的有效性。 展开更多

关键词 仿生机器海豚 三维路径跟踪 非线性模型预测控制 反步控制

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基于改进YOLOv5n的仿生海豚目标识别与跟踪方法

2

作者 曾广娟 陈宏 +1 位作者 陈昭阳 巩伟杰 《传感器与微系统》 北大核心 2025年第8期93-96,100,共5页

针对仿生机器海豚水下识别与跟踪任务要求低延迟与高实时性等特点,提出一种基于改进YOLOv5n的仿生海豚目标识别与跟踪方法。该方法使用轻量化网络GhostNet替代原YOLOv5n的主干网络,从而减少算法网络结构的浮点运算次数,提升仿生海豚水... 针对仿生机器海豚水下识别与跟踪任务要求低延迟与高实时性等特点,提出一种基于改进YOLOv5n的仿生海豚目标识别与跟踪方法。该方法使用轻量化网络GhostNet替代原YOLOv5n的主干网络,从而减少算法网络结构的浮点运算次数,提升仿生海豚水下目标检测与识别的实时性与可靠性,并最终与DeepSORT跟踪算法融合,完成对识别目标的跟踪任务。仿真与实验结果表明:改进后的算法更加轻量化,且识别效率高,跟踪误差小,验证了算法在仿生海豚水下目标识别与跟踪任务中的可行性与高效性。 展开更多

关键词 仿生机器海豚 水下目标识别 YOLOv5n检测网络 目标跟踪

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机器海豚多模态游动CPG控制 被引量：15

3

作者 汪明 喻俊志 +2 位作者 谭民 王会东 李成栋 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第9期1933-1941,共9页

受自然界海豚超凡的水中游动技能启发,机器海豚在军事和民用上具有潜在的广泛应用前景,因此受到研究人员的极大关注.然而,要实现机器海豚在水中自如地机动游动,必须为机器海豚设计一个具有丰富游动技能的多模态控制器.为此,通过振荡器... 受自然界海豚超凡的水中游动技能启发,机器海豚在军事和民用上具有潜在的广泛应用前景,因此受到研究人员的极大关注.然而,要实现机器海豚在水中自如地机动游动,必须为机器海豚设计一个具有丰富游动技能的多模态控制器.为此,通过振荡器建模与分析、中枢模式发生器(Central pattern generation,CPG)与机器海豚关节配对、CPG单元间耦合等环节建立了机器海豚的链式弱耦合CPG运动控制模型,提出一种基于CPG激发产生多模态振荡波形控制机器海豚运动的方法.详细阐述了机器海豚样机研制、控制器设计、运动控制实现与实验测试等内容.向前直游、转弯、浮潜等游动实验结果验证了所提出的机器海豚CPG运动控制方法的有效性和实用性. 展开更多

关键词 仿生机器人 机器海豚 运动控制 中枢模式发生器

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基于Kane方法的机器海豚动力学建模及速度优化方法 被引量：14

4

作者 沈飞 曹志强 +1 位作者 徐德 周超 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2012年第8期1247-1256,共10页

在利用Kane方法对机器海豚进行动力学建模的基础上,提出了一种对豚体波拟合推进进行速度优化的方法.首先,选取各连杆的关节角和机器海豚头部质心的坐标作为广义坐标,对具有三个推进关节的机器海豚进行运动学分析,进而得到广义惯性力;然... 在利用Kane方法对机器海豚进行动力学建模的基础上,提出了一种对豚体波拟合推进进行速度优化的方法.首先,选取各连杆的关节角和机器海豚头部质心的坐标作为广义坐标,对具有三个推进关节的机器海豚进行运动学分析,进而得到广义惯性力;然后,结合对各连杆受力分析得到的广义主动力,建立机器海豚的动力学方程.其中,根据尾鳍攻角所处的不同范围,分别利用升力线理论和阻力模型将尾鳍建模为有限翼展机翼或平板来计算水动力.在此基础上,结合豚体波拟合推进,提出一种通过调节尾鳍关节角规律的幅度和相位来优化平均推进速度的方法.仿真结果表明了所建模型及优化方法的有效性. 展开更多

关键词 机器海豚 动力学建模 KANE方法 豚体波拟合推进 速度优化

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机器海豚的机构设计与运动控制 被引量：13

5

作者 王龙 喻俊志 +3 位作者 胡永辉 范瑞峰 霍继延 谢广明 《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第3期294-301,共8页

研制了一种装配有机械鳍肢的新型仿生机器海豚系统。根据海豚典型的背腹式推进的特点,提出一种工程化的推进模型。机器海豚的运动被建模为三节的摆动运动刚性头部、弹性软体和摆动的尾叶。用一个串联的、多关节的上下摆动机构来实现背... 研制了一种装配有机械鳍肢的新型仿生机器海豚系统。根据海豚典型的背腹式推进的特点,提出一种工程化的推进模型。机器海豚的运动被建模为三节的摆动运动刚性头部、弹性软体和摆动的尾叶。用一个串联的、多关节的上下摆动机构来实现背腹式运动,用左右摆动的转弯机构和两自由度运动的鳍肢机构来实现机动运动。在此基础上,开发研制了机器海豚样机。实验结果验证了背腹式游动在推进和机动运动中的有效性。 展开更多

关键词 仿生 游泳机器人 机器海豚 推进模型 运动控制

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基于尾鳍攻角的机器海豚推进控制研究 被引量：2

6

作者 沈飞 曹志强 +1 位作者 徐德 周超 《华中科技大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第S2期302-305,共4页

研究了尾鳍攻角对机器海豚推进的影响,以绕有限翼展机翼不可压缩流动理论为基础,将机器海豚的尾鳍建模为有限翼展机翼并进行了受力分析,得出了尾鳍攻角变化律与推进力及推进效率之间的关系.将两关节的机器海豚视为一个多刚体系统,给出... 研究了尾鳍攻角对机器海豚推进的影响,以绕有限翼展机翼不可压缩流动理论为基础,将机器海豚的尾鳍建模为有限翼展机翼并进行了受力分析,得出了尾鳍攻角变化律与推进力及推进效率之间的关系.将两关节的机器海豚视为一个多刚体系统,给出了在不考虑机器海豚头部垂直晃动情况下的动力学方程.基于尾鳍攻角变化律得到动力学方程的迭代求解形式,通过正弦和斜齿波尾鳍攻角变化律的仿真对不同攻角规律下的推进效果进行了验证.仿真结果表明:在速度和推进力方面正弦波的攻角变化有一定优势. 展开更多

关键词 机器海豚 机翼 动力学方程 尾鳍攻角 推进效率

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基于波速驱动的机器海豚平均推进速度控制方法 被引量：2

7

作者 任光 戴亚平 +1 位作者 曹志强 沈飞 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第10期1734-1744,共11页

通过分析海豚豚体波推进特点,提出了波速与平均推进速度的匹配方法和工程化的速度匹配方程(Speed-velocity matching equation,SVME),并进一步设计了基于速度匹配方程的机器海豚平均速度控制实现方法.首先,分析了海豚尾部摆动时呈现的... 通过分析海豚豚体波推进特点,提出了波速与平均推进速度的匹配方法和工程化的速度匹配方程(Speed-velocity matching equation,SVME),并进一步设计了基于速度匹配方程的机器海豚平均速度控制实现方法.首先,分析了海豚尾部摆动时呈现的正弦豚体波特征,指出某一豚体波波速与相应海豚推进平均速度存在严格对应关系,据此给出了速度匹配系数(Speed-velocity matching coefficient,SVMC)定义及速度匹配方程.然后,以三关节尾部机器海豚为例,根据速度匹配关系特征,建立了三关节尾部摆动豚体波波速与推进平均速度的数学关系.最后,基于已知的速度匹配系数分布状况,采用分区线性化处理策略分别设计了开环控制方法和自校正控制实现方法.通过速度匹配系数的取值对机器海豚进行驱动与控制,机器海豚可到达目标平均速度.实验结果表明,豚体波波速与海豚平均速度存在严格对应关系,基于速度匹配系数这一数据驱动的机器海豚速度控制方法是可行的. 展开更多

关键词 机器海豚 豚体波 速度匹配系数 速度匹配方程 平均推进速度 自校正控制

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基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统 被引量：6

8

作者 张磊 孟中杰 《兵工自动化》 2016年第12期72-77,共6页

为设计一种新型、游动效率高、可以实现沉浮运动的仿生机器人,以海豚为仿生对象,利用仿生学原理对基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统进行改进。研究海豚的背腹运动尾鳍推进模型,对原有模型中不便于工程实现的方面进行修正。在... 为设计一种新型、游动效率高、可以实现沉浮运动的仿生机器人,以海豚为仿生对象,利用仿生学原理对基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统进行改进。研究海豚的背腹运动尾鳍推进模型,对原有模型中不便于工程实现的方面进行修正。在验证修正后模型可行性的基础上,设计一种三关节柔性尾部加刚性头部的机械结构以及控制流程和配套的电路系统,对机器海豚的沉浮运动进行动力学分析,提出利用PID控制实现平面运动的方法,通过实验验证机器海豚沉浮运动和平面运动的可行性,并给出机器海豚游动速度和尾鳍摆动频率及尾鳍摆幅之间的关系。实验结果表明,基于尾鳍推进模型的机器海豚具有较高的效率和游动速度。 展开更多

关键词 机器海豚 仿生 尾鳍运动模型 机构设计 运动分析

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机器海豚行波推进模式下的平均速度控制方法 被引量：3

9

作者 任光 戴亚平 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2015年第3期343-350,共8页

在分析海豚尾部行波推进特点的基础上,提出了基于同频特征摆和相位差因子的行波推进运动学特征方程获取方法,并进一步设计了基于数据钳位的平均速度控制方法.首先,对海豚行波推进特点进行分析,指出动能映射原理同样适用于行波运动情形.... 在分析海豚尾部行波推进特点的基础上,提出了基于同频特征摆和相位差因子的行波推进运动学特征方程获取方法,并进一步设计了基于数据钳位的平均速度控制方法.首先,对海豚行波推进特点进行分析,指出动能映射原理同样适用于行波运动情形.通过定义同频特征摆和相位差因子,把无相位差推进方式下的动能映射运动学特征方程移植到行波推进模式.然后,针对移植后的运动学特征方程非线性更严重的特点,给出了数据钳位设计方法.数据钳位指利用动能映射系数,在首次运行时直接把系统状态钳位到目标速度附近的一个小范围区域内,并通过输入钳位和输出钳位把运行数据限制在这个有限范围.在此基础上,通过迭代学习辨识和重复控制作小范围的速度微调,实现平均速度控制.仿真与实验结果说明,移植后的行波推进运动学特征方程可以用于指导机器海豚推进运动,而基于数据钳位设计的迭代学习辨识与重复控制方法实现了机器海豚平均速度控制. 展开更多

关键词 机器海豚 同频特征摆 相位差因子 数据钳位 动能映射原理 行波推进

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机器海豚尾鳍运动模型的建立及仿真 被引量：5

10

作者 姜世平 郭志 孙晖东 《燕山大学学报》 CAS 2008年第4期311-315,共5页

以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰-沉浮运动的数学模型,同时建立了描述豚尾各运动参数之间关系的方程,随后运用Matlab的仿真功能再现了海豚在游动过程中尾鳍的运动规律。该模型可用于定性描... 以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰-沉浮运动的数学模型,同时建立了描述豚尾各运动参数之间关系的方程,随后运用Matlab的仿真功能再现了海豚在游动过程中尾鳍的运动规律。该模型可用于定性描述运动参数对海豚推进性能的影响,为进一步研究豚尾动力学提供了理论基础,同时也为机器海豚尾鳍的控制设计提供了理论依据。 展开更多

关键词 机器海豚 身体曲线 俯仰一沉浮运动 运动模型

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机器海豚的运动学及动力学建模和仿真 被引量：5

11

作者 郭志 姜世平 孙晖东 《舰船科学技术》 2009年第1期141-145,共5页

模拟海豚的背腹式运动机理开发新型的水下航行系统,将是微型智能潜艇发展的一个方向。作为基础性理论研究,本文以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰-沉浮运动的数学模型,在此基础上结合茹科夫斯... 模拟海豚的背腹式运动机理开发新型的水下航行系统,将是微型智能潜艇发展的一个方向。作为基础性理论研究,本文以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰-沉浮运动的数学模型,在此基础上结合茹科夫斯基举力定理建立了机器海豚的动力学模型。运用Matlab软件对这第一个模型进行了仿真研究,分析了运动学参数ψ对海豚推进性能的影响,讨论了这个参数的最佳取值ψ≈90°。此项研究为机器海豚的设计实现提供了理论依据,同时有助于进一步认识和研究海豚的运动机理。 展开更多

关键词 机器海豚 俯仰-沉浮运动 运动学模型 动力学模型 仿真

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胸鳍/尾鳍协同推进的机器海豚动力学建模与仿真 被引量：1

12

作者 杨忠华 巩伟杰 《船舶工程》 CSCD 北大核心 2021年第9期140-145,151,共7页

动力学模型是机器海豚研究的一个重点和难点。基于胸鳍/尾鳍协同推进模式,采用"叶片单元法"建立2自由度胸鳍动力学模型,根据伯努利原理和大展弦比机翼平衡理论提出尾鳍动力学模型。通过MATLAB进行数值仿真,获取胸鳍、尾鳍的... 动力学模型是机器海豚研究的一个重点和难点。基于胸鳍/尾鳍协同推进模式,采用"叶片单元法"建立2自由度胸鳍动力学模型,根据伯努利原理和大展弦比机翼平衡理论提出尾鳍动力学模型。通过MATLAB进行数值仿真,获取胸鳍、尾鳍的运动规律和不同模式下的游动速度;进一步分析机器海豚的游动模式和运动参数对直游性能的影响,为机器海豚的设计提供理论依据。该研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理,从而提高机器海豚的游动性能。 展开更多

关键词 机器海豚 协同推进 动力学模型 胸鳍/尾鳍 数值仿真

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机器海豚近地面非对称腹背式推进俯仰抑制方法 被引量：1

13

作者 姚吉 谢鸥 +1 位作者 葛飞飞 孙兆光 《船舶工程》 CSCD 北大核心 2022年第7期77-83,共7页

针对机器海豚近地面游动的水深压力和地面效应影响,提出一种非对称腹背式推进的俯仰抑制方法。采用计算流体动力学(CFD)方法对机器海豚近地面非对称腹背式推进的游动过程进行数值模拟,研究了摆频比系数和摆幅比系数对水动力参数的影响... 针对机器海豚近地面游动的水深压力和地面效应影响,提出一种非对称腹背式推进的俯仰抑制方法。采用计算流体动力学(CFD)方法对机器海豚近地面非对称腹背式推进的游动过程进行数值模拟,研究了摆频比系数和摆幅比系数对水动力参数的影响关系。开展水动力试验对机器海豚样机在近地面游动的水动力学参数进行测试和对比分析,结果表明:近地面非对称腹背式推进模式具有增推效应,调节摆频比和摆幅比系数可有效抑制俯仰力矩,提高游动稳定性。研究结果为仿生水下机器人在复杂环境下的游动控制提供了参考。 展开更多

关键词 机器海豚 水深压力 地面效应 非对称游动 俯仰抑制

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一种六自由度仿生机器海豚

14

作者 谭祖玮 张骋浩 +3 位作者 孙卓慧 高南 贾永霞 谢广明 《兵工自动化》 2022年第12期25-29,共5页

为提升机动性与灵活度,设计一种具有图像传输功能的六自由度仿生机器海豚。对机器海豚的刚性头部、偏航腰部和两关节俯仰尾部的四关节系统进行设计;采用Arduino Uno3单片机输出PWM信号控制7路舵机,制定电气系统控制方案和防水密封方案,... 为提升机动性与灵活度,设计一种具有图像传输功能的六自由度仿生机器海豚。对机器海豚的刚性头部、偏航腰部和两关节俯仰尾部的四关节系统进行设计;采用Arduino Uno3单片机输出PWM信号控制7路舵机,制定电气系统控制方案和防水密封方案,利用PS2手柄遥控机器海豚,通过尾部两关节上下摆动实现推进,腰部偏航关节实现转弯,舵机驱动配重块和一对单自由度的胸鳍实现俯仰姿态调节,通过实验验证方案的可行性。结果表明,该设计能实现机器海豚加减速前进、偏航、俯仰、原地转弯和双胸鳍拍水的运动姿态。 展开更多

关键词 机器海豚 仿生 背腹式推进 偏航 俯仰

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机器海豚三关节尾部摆动波光滑逼近与分析

15

作者 李亮亮 薛志斌 《计算机仿真》 北大核心 2020年第9期281-286,共6页

针对目前机器海豚摆动波逼近精度和光滑度很难实现高精度逼近问题,提出建立机器海豚摆动波控制参数、电机转角和位姿变换三者之间的关系来构造出摆动波光滑逼近机理模型。构造机器海豚尾部三维建模,同时建立机器海豚三关节尾部结构动力... 针对目前机器海豚摆动波逼近精度和光滑度很难实现高精度逼近问题,提出建立机器海豚摆动波控制参数、电机转角和位姿变换三者之间的关系来构造出摆动波光滑逼近机理模型。构造机器海豚尾部三维建模,同时建立机器海豚三关节尾部结构动力学模型,用模糊逼近算法分析理想和带干扰两种状态下光滑逼近,利用仿真软件得到较小的逼近误差,进一步验证了逼近模型的有效性。 展开更多

关键词 机器海豚 摆动波 光滑逼近 机理建模 仿真分析

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一种水下探测机器海豚设计

16

作者 吴浩然 刘雅雯 肖力 《价值工程》 2023年第15期122-124,共3页

本文以自然界海豚为原型,通过仿生设计一款机器海豚,设计的海豚可以在复杂危险的环境中巡航,依靠自身携带的摄像头和各种传感器对周围环境进行实时监测,应用于探索、调研以及保护鱼群等诸多领域.通过以模块化设计的思想将机器海豚分为... 本文以自然界海豚为原型,通过仿生设计一款机器海豚,设计的海豚可以在复杂危险的环境中巡航,依靠自身携带的摄像头和各种传感器对周围环境进行实时监测,应用于探索、调研以及保护鱼群等诸多领域.通过以模块化设计的思想将机器海豚分为五部分:头部机构、尾部正弦推进机构、重心调节机构、胸鳍机构以及尾部辅助机构,并通过对转向机构以及重心调节机构的设计,实现机器海豚的转向运动和仰俯运动,以适应机器海豚在未知的海洋领域进行探索任务. 展开更多

关键词 仿生 机器海豚 模块化设计 转向运动 仰俯运动

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基于可变前向距离LOS导航法的仿生海豚路径跟踪研究

17

作者 陈昭阳 陈宏 +1 位作者 曾广娟 巩伟杰 《传感器与微系统》 2025年第12期33-37,共5页

针对仿生机器海豚的水下路径跟踪控制问题,研究了一种基于可变前向距离的视线(LOS)追踪路径跟踪算法;算法采用可变前向距离代替传统LOS导航算法的固定前向距离,创新设计了一种反正切函数,利用载体当前状态与期望路径状态对前向距离进行... 针对仿生机器海豚的水下路径跟踪控制问题,研究了一种基于可变前向距离的视线(LOS)追踪路径跟踪算法;算法采用可变前向距离代替传统LOS导航算法的固定前向距离,创新设计了一种反正切函数,利用载体当前状态与期望路径状态对前向距离进行实时计算与修正,使仿生机器海豚有效克服传统LOS导航算法的过冲与延迟收敛问题,并结合仿生机器海豚的水下运动能耗特点,有效降低运动能耗;最终通过仿真与实物实验,验证了算法的可行性、准确性,智能性与优越性。 展开更多

关键词 仿生机器海豚 视线导航法 可变前向距离 路径跟踪

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