仿生水下机器人运动控制方法研究

仿生水下机器人运动控制方法研究

o 成 巍 李喜斌 孙俊岭 袁建平 徐玉如

哈尔滨工程大学水下机器人技术实验室

［摘 要］　近年来仿生技术在水下机器人上的应用已经成为水下机器人的重要研究方向之一。仿生水下机器

人采用尾鳍提供前进动力和改变航向，比传统的桨舵具有高效性和高机动性。本文根据仿生水下机器人水池

试验结果讨论了其运动性能，并在此基础上提出了仿生水下机器人运动控制方法，最后通过仿真试验验证了

该方法的可行性。运动控制研究，是仿生水下机器人其它使命的基础，具有重要的意义。

［关键词］水下机器人；仿生推进；智能控制

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ｈａｓ

ｂｅｅｎ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ．　Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｒｕｄｄｅｒ，　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ　ＵＶ

ｉｎｓｐｉｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｉｓｈ　ｃｒｕｉｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｕｒｎｓ　ｂｙ　ｉｔｓ　ｃａｕｄａｌ　ｆｉｎ，　ｗｈｉｃｈ　ｇｉｖｅｓ　ｍｏｒｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ

ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ．　Ｆｉｒｓｔ　ｗｅ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ　ＵＶ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ

ｏｆ　ｉｔｓ　ｗａｔｅｒ　ｔａｎｋ　ｔｅｓｔｓ．　Ｔｈｅｎ　ｗｅ　ｇｉｖｅ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｈｅｒｅ．　Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ

ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｔ　ｌａｓｔ．　Ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｍｅａｎｉｎｇｆｕｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｉｏｎｉｃ

ＵＶ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｏｔｈｅｒ　ｔａｓｋｓ．

［Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ］　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ，　ｂｉｏｎｉｃ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ．

０．引言

近年来，模仿水生动物推进方式的仿鱼尾推进系统应用于水下无人探测器的可行性已经得到了初步的验证。如美国ＭＩＴ的ＲｏｂｏＴｕｎａ　［１］、美国Ｄｒａｐｅｒ实验室的ＶＣＵＵＶ［２］、日本东京工业大学的机器海豚［３］、哈尔滨工程大学的“仿生－Ⅰ”［４］等，都采用了具有较高巡游速度的金枪鱼或海豚作为模型，研究仿生推进和操纵系统，以期改善传统水下机器人推进和操纵性能，增强水下机器人的运动能力。仿生水下机器人采用尾鳍提供前进的动力和改变航向，与传统的采用桨舵的水下机器人在运动性能和控制方法上都有很大的差别。因此，研究仿生水下机器人的操纵控制方法成为其重要的研究方向之一。本文以“仿生－Ｉ”为研究对象，根据其船模试验水池（１０８×７×４ｍ）试验了解其运动性能，并在此基础上讨论其运动控制方法。

１．“仿生－Ｉ”结构

仿生水下机器人“仿生－Ｉ”号，以蓝鳍金枪鱼为蓝本，长２．４ｍ，最大直径０．６２ｍ，排水量３２９ｋｇ，负载能力７０ｋｇ，潜深１０ｍ，配有月牙形

［作者简介］　成巍（１９７７–），河北张家口，博士生，研究领域：机器人运动控制与仿真、生物流体力学。

尾鳍和一对联动胸鳍，其外形如图１所示。尾部为具有三个节点的摆动机构，约占总长的１／３，采用涡轮涡杆传动，其中前两个节点通过齿轮联动，控制尾柄的摆动，并通过包裹在外面的蒙皮形成整个鱼体的流线型，最后一个结点则用来控制尾鳍的运动。该结构所产生的运动与金枪鱼的游动方式相适应。研究表明，金枪鱼在高速游动时，躯体的前三分之二几乎没有摆动和变形，后三分之一则带动尾鳍以常频摆动，尾鳍接近于刚性，前进中躯体的横移极小。机器人采用大展弦比的月牙形尾鳍，通过尾鳍的摆动提供前进的动力和转艏的力矩；胸鳍则可以控制机器人的深度。尾鳍和胸鳍均采用ＮＡＣＡ００１８翼型。躯体中部的背鳍和胸鳍可起到减摇作用。该机器人在加装光纤陀螺、深度计和定位系统后，可实现艏向、深度和纵向速度的闭环控制。为防止电机反向对尾部传动机构冲击过大，设定电机不能反向，因此尾鳍在一个摆动周期内一定会摆动到两个极限位置。

２．“仿生－Ｉ”运动能力

“仿生－Ｉ”的结构决定了其运动能力，下面给予详细叙述。

“仿生－Ｉ”的胸鳍只可以做一个自由度的转动，可控制仿生水下机器人的升沉或纵倾。

因为只在鱼的前体装有一对联动胸鳍，不具备同时调整升沉和纵倾的能力。但在较低航速（μ＜１．０ｍ／ｓ）时，鱼体纵倾不超过５。

，可利用其纵向恢复力矩自动调节，因此通常只利

用胸鳍调整深度，但当航速较高时，纵倾增大，会使航速降低。另外，胸鳍本身是个升力面，只

有当航速较高时，才有较好的控制作用。同时应该注意到失速现象的存在，所以通常应控制胸鳍转角在一定范围之内（攻角可能会更大），此处取胸鳍最大转角θｐ＜２０。。

“仿生－Ｉ”尾鳍以某频率摆动，能够提供前进的动力，水池试验中最大摆动频率１．３Ｈｚ，仿真试验中最大摆动频率２．０Ｈｚ。当其一个摆动周期内频率发生变化时，会形成转艏。通过调整尾鳍的摆动，“仿生－Ｉ”具有纵向速度和艏向控制能力。

当仿生水下机器人静止，尾鳍以某固定频率摆动时，机器人会经过一个加速段，最终达到相应的稳定航速。图２为水池试验和仿真试验频率－航速关系对比图，其中仿真试验当频率较高时，人工处理纵倾为零，仅考察尾鳍的推力性能。可以看到，仿真结果比试验值偏大，这

　图１仿生水下机器人“仿生－Ⅰ”号

图２　频率－航速关系

是由于试验中“仿生－Ｉ”的配重浮球所产生的阻力、水面兴波产生的兴波阻力，以及电缆和信号缆所产生的拉力对机器人的航速都有较大影响。应该注意的是，在仿生水下机器人由静止到稳定航速间的加速段，尾鳍的进流速度不断增加，造成尾鳍一个摆动周期中产生的侧向力和力矩平均值不为零，仿生水下机器人会产生偏航，这在水池试验和仿真试验中都有体现。当机器人达到稳定航速时，偏航停止。水池试验因条件所限，未能观察偏航角；仿真试验中偏航角在１０。￣１８。。

当仿生水下机器人尾鳍摆动一个周期内两极限位置间的频率不同（设分别为ｆ１和f ２）时，会发生转艏，可利用这一点调整艏向。这里未采用某些鱼类的单侧尾鳍摆动，主要是从保持航速的角度考虑，同时也可以增长转艏力矩的作用时间。同时可以在尾鳍以较高频率摆动到极限位置后停顿一定时间，以增长流体作用时间，提高转艏速度。在水池试验中，我们取两频率分别为１．０Ｈｚ和０．２Ｈｚ，停顿时间１ｓ，做了原地回转试验，其回转直径为４ｍ，回转周期为５０ｓ。同样的参数，仿真结果如图３所

示，其回转直径６．６ｍ，回转周期８３ｓ，转艏速度为４．４４ｄｅｇ／ｓ。

考虑一种极限情况，将上述两个频率之一取零，即当鱼类在以较高速度游动时，尾部突然摆动到摆幅位置停住，利用尾部的侧向力和力矩实现急转。水池试验中，“仿生－Ｉ”以１．０Ｈｚ摆动到稳定航速时，急停，３ｓ后做上述的原地回转运动，结果在停顿过程中转艏４５。

，并在２０ｓ内完成了１８０。

转艏；同样参数，仿真结果如图４所示，停顿过程转艏３２。

，转艏角速度１０．６７ｄｅｇ／ｓ，

并在２４ｓ内完成了１８０

。

转艏。上述两种回转

运动中，试验结果均比仿真结果转艏速度快、回转半径小，原因是水池试验中鱼体上约束较多，虽然限制了其回转速度，但同时也限制了其进退和横移的速度，使仿生水下机器人能在比仿真器更短的时间以更小的半径回转。

仿生水下机器人在运动过程中，由于尾部的摆动，会造成横倾，也呈周期性变化。但尾鳍摆动频率较高时，横倾不超过５。

，可通过横向恢复力矩自动调节。

３．“仿生－Ｉ”运动控制方法

图３　仿真原地回转试验

　图４　仿真急停转艏

采用仿鱼推进和操纵方式，主要是为了利用其高速、高效、灵活、低噪等特点。就“仿生－Ｉ”而言，由于胸鳍只有一个自由度的运动，不具备纵向定位能力，而且鱼类摆尾式游动通常不具备横向运动控制能力，所以当前我们主要将这种推进和操纵方式用于艏向的调整和大范围转移，只做纵向速度控制、艏向控制和深度控制。基于“仿生－Ｉ”在水池试验中所表现出的运动能力，我们在仿真中对仿生水下机器人制定了下面的控制方法。

１）　启动时，航速为零，首先根据当前姿态确定艏向偏差，当偏差大于某值（ｅψ＜５。）时转２）；否则，开始纵向速度控制。根据当前纵向速度偏差ｅμ和纵向加速度αμ，确定尾鳍摆动的主频率f ma in ，后序的艏向调整都应该以f ma in 为标准，以防止艏向调整对纵向速度影响过大。初始时刻ｅμ较大，为防止启动时对传动机构冲击太大，设定启动初始频率f ０，采用增量式控制。同时艏向也要调整，以保证前进方向。艏向调整见３）。

２）　采用原地回转运动调整艏向，根据艏向偏差ｅψ　和当前转艏速度ｒ，确定尾鳍一个摆动周期内的两个摆动频率f １和f ２，假设ｅψ　较大（ｅψ＜５。

）时，还应该增加高频摆动至极限位置后的停顿时间t （设ｔ［０，１］ｓ）。为防止f １和f ２相差太大，对传动机构冲击过大，应该设

定f １和f ２的最大差值Δf 。当艏向偏差ｅψ＜５。

时，转１）。

３）　由于加速段存在偏航问题，尾鳍开始往哪侧摆，艏向就向哪侧偏，这里我们设尾鳍在加速

段初始时刻向鱼体左弦方向摆动。通常加速段结束后，偏航角大于１０。

。另外，由于仿生水下机器人不具备横向控制能力，在前进过程中，通常都在根据目标位置调整艏向。所以在加速段，当前航速较小时（μ＜０．７５μｔ　，其中μｔ　为目标航速），艏向控制增加前馈环节，在根据当前姿态确定的艏向偏差ｅψ　的基础上，增加（／减小）艏向偏差ｅψ（Δｅψ＜１５。）。

４）　在仿生水下机器人航速较大时μ＜０．６ｍ／ｓ，如果艏向偏差较大（ｅψ＜３０。），可以采用尾鳍急停至摆幅处实现急转，加快艏向调整速度。因为要急停，为防止冲击，设定急停前最大摆动频率为１．０Ｈｚ。由于急停转艏速度较大，为防止超调，当艏向偏差降至一定程度（ｅ

ψ

＝２０。

）

时，应该改为上述３）中的艏向调整方式；或者由于艏向偏差太大，急停一段时间后，转艏速度已减小到一定程度（ｒ＜５ｄｅｇ／ｓ），也应该改为３）中的艏向调整方式。在急停过程中，机器人纵向失去动力，航速会大幅度降低，再次启动前应根据当时的航速参照图２或根据纵向期望速度确定主频率f ma in ，但f ma in 不能太大，以减小冲击。

５）　当航速达到稳定且艏向偏差不大（ｅψ

＜５。），可根据当前纵向速度偏差ｅμ和纵向加速度αμ，确定尾鳍摆动的主频率f m ai n ；并在f ma in 的基础上，根据艏向偏差ｅψ　和当前转艏速度ｒ，确定尾鳍一个摆动周期内的两个摆动频率f １和f ２。既不断调整艏向，又保持航速。

６）　深度控制从启动时刻开始，根据深度偏

ψ＝０．０。

；目标位置北向ξ＝２００．０ｍ，东向η＝０．０ｍ，深度ζ＝２．０ｍ，目标航速μＴ＝０．８ｍ／ｓ。该试验为直航试验，图５、６、７为仿真试验结果。可以看出启动时的偏航对仿生水下机器人影响较大，增加艏向控制的前馈环节可以较有效地解决该问题。

２）初始时刻ｔ＝０ｓ，“仿生－Ｉ”位置北向ξ＝０．０ｍ，东向η＝０．０ｍ，深度ζ＝１．０ｍ，艏向ψ＝０．０。；目标位置北向ξ＝２００．０ｍ，东向η＝０．０ｍ，深度ζ＝２．０ｍ，目标航速μＴ＝０．８ｍ／ｓ。该试验启动时首先通过“原地”回转运动调整艏向，调整至一定范围后开始纵向速度控制。图８、９为仿真试验结果。

３）初始时刻ｔ　＝０ｓ，“仿生－Ｉ”位置北向

ξ＝０．０ｍ，东向η＝０．０ｍ，深度ζ＝１．０ｍ，艏向

差和垂向速度确定胸鳍转角，采用位置式控制，贯穿整个运动过程始终。

４．仿真结果

为验证上述控制方法，设计下列仿真试验，控制器采用文献［６］

介绍的Ｓ面控制。

１）初始时刻ｔ＝０ｓ，“仿生－Ｉ”位置北向ξ＝０．０ｍ，东向η＝０．０ｍ，深度ζ＝１．０ｍ，艏向

图９　仿真试验２艏向角变化

图８　仿真试验２水平面运动轨迹

图５　仿真试验１水平面运动轨迹

图６　仿真试验１纵向速度变化

　图７　仿真试验１深度变化

ψ＝０．０。；目标位置１北向ξ＝２００．０ｍ，东向η＝０．０ｍ，深度ζ＝２．０ｍ，目标航速μＴ＝０．８ｍ／ｓ；当北向ξ＞１００．０ｍ时，设置目标位置２北向ξ＝１００．０ｍ，东向η＝２００．０ｍ，深度ζ＝２．０ｍ，目标航速μＴ＝１．２ｍ／ｓ。该试验首先直航，到达目标位置１后航速较大，通过摆尾至极限位置急停实现艏向的快速调整。图１０、１１、１２、１３为仿真试验结果。适当调整参数，可减小图１１中的

图１３　仿真试验３纵向速度变化

　图１０　仿真试验３水平面运动轨迹

图１１　仿真试验３艏向角变化

　图１２　仿真试验３深度变化

超调。另外，当航速达到１．２ｍ／ｓ后，纵倾角增大，影响了深度和纵向速度的控制效果。

５．结论

本文以哈尔滨工程大学的仿生水下机器人“仿生－Ｉ”为对象，在其水池试验基础上，讨论了仿生水下机器人的运动控制方法，并通过仿真试验加以验证。当然不同配置的仿生水下

机器人都会有各自的特点，其控制内容和控制方法也是很丰富的。本文的仿真试验控制效果不一定最优，但相信这种基础运动控制方法是可行的，对仿生水下机器人的研究有很大的意义。

参考文献

［１］　“Ｐｒｏｊｅｃｔｓ”．　ｈｔｔｐ：／／ｗｅｂ．ｍｉｔ．ｅｄｕ＼ｔｏｗｔａｎｋ＼ｗｗ－ｗ＼ｐｒｏ－ｊｅｃｔｓ．　Ｈｔｍｌ

［２］　“Ｆｉｓｈ－ｌｉｋｅ　ｓｗｉｍｍｉｎｇ”．　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｒａｐｅｒ．ｃ－ｏｍ／ｔｕｎａ＿ｗｅｂ／ｖｃｕｕｖ．ｈｔｍ

［３］　Ｐａｐｅｒｓ　ｏｆ　１１ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＵＵＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　１９９９．

［４］　成巍，　苏玉民，　秦再白，　万磊，　徐玉如．　一种仿生水下机器人的研究进展．　船舶工程．　已录用．

［５］　Ｄｅｗａｒ，　Ｈ．　＆　Ｇｒａｈａｍ，　Ｊ．　Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ｔｒｏｐｉｃａｌ　ｔｕｎａｓｗｉｍｍｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｗａｔｅｒ　ｔｕｎｎｅｌ．　Ｊ．　ｏｆｅｘｐ．　Ｂｏｉｌ．　１９９４，　１９２：　４５－５９．

［６］　刘学敏，徐玉如．水下机器人运动的Ｓ面控制方法．海洋

工程．２００１，１９（３）：８１－８４