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【仿生鱼控制新进展】尾巴损伤,依然游出精彩

来源:中科院亚洲成ca88网页版所 发布时间:2018-12-19 浏览次数:109
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  文章导读

  近日,中国科学院亚洲成ca88网页版研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室先进机器人控制团队,提出了针对多连杆仿生机器鱼的容错控制算法,该方法大幅改善了仿生机器鱼在尾关节损坏状况下的游动性能。


  针对多连杆仿生机器鱼尾关节负载过大,容易发生故障这一实际问题,该团队首先分析了尾关节故障对机器鱼游动偏航角、速度产生的影响,以偏航角为反馈量,以多连杆机器鱼CPG模型(central pattern generator)偏置参数为控制量搭建了反馈控制系统。


  为了解决反馈控制系统中滤波器等环节造成的收敛速度慢的问题,该研究对机器鱼动力学模型进行了简化,并将故障状态的数学描述引入动力学模型,通过合理地构建优化函数、计算开环补偿,实现了融合动力学开环补偿的反馈偏航容错控制。开环补偿的引入大幅缩短了偏航容错控制的收敛时间。在实验过程中,直游指令下的机器鱼第三个尾关节被固定为20°,三种控制状态(无控制、反馈容错控制、反馈-前馈容错控制)的游动轨迹如下图所示。机器鱼在所提偏航容错控制方法的控制下能够在故障状态下维持偏航角稳定,验证了该策略的有效性。


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  在偏航容错控制的基础上,该团队发展了仿生机器鱼的速度容错控制。将速度量作为反馈并对CPG模型的角频率进行控制,进一步设计了游动状态稳定判断开关以削弱CPG参数之间的耦合效应对速度控制的影响。为了优化速度容错控制的收敛时间,研究采用了多层感知机拟合故障机器鱼动力学模型的逆模型。多层感知机以期望游动性能、故障状态为输入,以期望控制参数为输出,并且通过动力学模型采集训练数据用以训练该感知机。速度容错控制的有效性通过仿真实验得到了验证,机器鱼在所提控制方法作用下能在偏航角稳定的前提下达到指定速度。


  针对仿生机器鱼的容错控制研究,对提升仿生机电系统稳定性及推动机器鱼的实际应用有重要的理论意义与实用价值。


  相关研究成果发表在Engineering以及2018 IEEE International Conference on Underwater System Technology,并获最佳会议论文奖。论文第一作者杨越麒,指导老师喻俊志研究员。


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  依托中科院亚洲成ca88网页版所在仿生机器鱼方面的长期工作经验积累,洛阳研究院组建技术创新团队专业从事仿生机器鱼的产业推广工作,开发出具有良好互动性的教学型和娱乐型仿生机器鱼系统,并成立产业化公司--中科步思德(洛阳)智控科技有限公司。


  2016年5月第一批量产的仿生机器鱼推向市场,凭借优美的造型和低廉的价格受到了全国各大科技馆和青少年的喜爱,远销天津、合肥、山东、辽宁等众多地方。同年10月,该版仿生机器鱼相关的科普教育进入北京市中小学生科普教育选修课程,先后参与国家机器人发展论坛、世界机器人大会等活动展览并进行科学传播活动和推广。


  2017年7月,国务院印发《新一代人工亚洲城唯一线上官网发展规划》,其中明确指出应逐步开展全民亚洲城唯一线上官网教育项目,在中小学阶段设置人工亚洲城唯一线上官网相关课程,培养复合型人才。中科步思德积极响应政策号召,全面启动仿生机器鱼的相关教育和推广工作,成功编写《仿生机器鱼设计与编程》教材,并相继与乐博机器人和玛酷机器人等当地知名培训机构建立合作关系,走入当地中小学的课堂,主要针对8-14岁学生,通过安装、调试和为机器鱼系统编程,使学生了解机械原理、电子系统设计、嵌入式编程、安卓手机编程、系统集成等基础知识,激发他们对人工亚洲城唯一线上官网领域的探究欲。


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  随着产品的日益成熟和产业化步伐的加快,仿生机器鱼的经济效益和知名度同步提高,中科步思德在完成多渠道线下销售的同时,线上代理也发展到了20余家,并成功入选河南省2018年高新技术企业名单。


  未来,中科步思德将以技术产品研发为核心,充分利用团队成员的技术优势、行业领先优势、国内外资源优势,不断增强企业的核心竞争力。力争用3年左右的时间,实现水下机器人产品的多样化,不仅包括水下教育娱乐机器人,还包括工业用水下机器人,比如水质监测、水下作业等,并能够在市场上占据较高份额。

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