仿生波动推进机器人的自由状态建模和步态控制研究

仿生波动推进水下机器人由于具有低功耗、低噪音、机动灵活等潜在优点而受到广泛关注，但也存在着模型计算复杂、强非线性控制等难题。本课题以多种仿生波动推进水下机器人为研究对象,基于他们结构和动力学的共同特性，考虑艏摇效应，研究其自由状态（无运动限制的状态）的运动学与动力学联合建模及其步态节律优化和运动控制问题，期望充分发挥波动推进的优势，具有独特的学术价值和现实意义。主要研究基于流体力和拉格朗日方程的动力学-运动学联合模型及其瞬时运动状态的定量解算，从而得到统一形式的水下仿生波动推进机器人运动模型，并根据其周期性流体力作用规律优化运动参数和耗散功率；进一步对模型降维处理，研究基于局部测量信息的控制方法，针对多种控制任务，计算波动的步态参数控制机器人运动。建立仿真平台并改进现有仿生机器人和测量平台，验证以上方法的有效性，为波动推进在水下机器人领域的广泛应用提供必要的理论支持和技术基础。

波动翼机器人，包括仿生机器鱼、仿生胸鳍机器人、长侧鳍机器人等，是一种可在复杂水下环境中工作的机器人系统，具有良好的机动性和灵活性，能够长时间工作，具有非常广阔的应用前景，但是也有波动干扰大、运动测量困难、模型计算复杂、强非线性等控制上的难题。本研究项目综合考虑该类机器人的共性和实际应用场合的需求，基于波动翼推进水下机器人的动力学共性，研究其基于水动力学的运动建模和非线性控制问题，开展运动建模与控制方法研究，以期为其运动控制器的设计提供有效的方法。.解决的问题包括将多种波动翼水下机器人置于一个统一的控制框架下,根据这一类机器人的结构、运动上的共同特性，为这一类机器人建立统一形式的模型，研究其控制方法；针对这一类水下机器人运动没有固定坐标系和运动学/动力学耦合的特点，建立运动学和动力学的联合方程，同时研究涡流在关节结构上的作用规律，利用拉格朗日第二方程将两者联系起来，进而解算机器人的运动；基于建立的运动学—动力学联合模型，研究波动翼推进水下机器人基于非线性欠驱动的控制方法。针对不同的任务，研究相应的控制。实现不同运动状态的自主稳定切换，进而解决波运动控制所产生的机器人晃动问题，提高运动的稳定性、协调性和适应性。