仿生魚(yú)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究綜述

賀欣 張應(yīng)田 劉力卿 王偉

摘 要：推進(jìn)控制技術(shù)是微型仿生魚(yú)實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障巡檢的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過(guò)分析微型仿生魚(yú)的推進(jìn)模式，介紹了不同模式下微型仿生魚(yú)推進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為進(jìn)一步研制變壓器微型仿生魚(yú)樣機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微型仿生魚(yú);變壓器;推進(jìn)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0037-02

Abstract： Propulsion control technology is the key technology for miniature bionic fish to realize internal fault inspection of transformers. In this paper， by analyzing the propulsion mode of Micro-Bionic fish， the development status of propulsion control technology of Micro-Bionic fish under different modes was introduced， which laid a foundation for further development of transformer Micro-Bionic fish prototype.

Keywords： miniature bionic fish;transformer;propulsion control

微型仿生魚(yú)具有體積小、能運(yùn)動(dòng)、能感知、能定位、能通信和少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將微型仿生魚(yú)置于變壓器內(nèi)部，直接對(duì)繞組、絕緣紙板表面等碳痕進(jìn)行觀察，可有效排查變壓器內(nèi)部絕緣故障。

推進(jìn)控制技術(shù)是微型仿生魚(yú)實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障巡檢的關(guān)鍵。因此，研究微型仿生魚(yú)的推進(jìn)控制技術(shù)，對(duì)于研制變壓器微型仿生魚(yú)樣機(jī)具有重要作用。

1 微型仿生魚(yú)的游動(dòng)模式

根據(jù)游動(dòng)模式不同，仿生魚(yú)可以分為身體/尾鰭推進(jìn)模式（Body or Caudal Fin Propulsion，BCF）和中鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式（Media or Paired Fin Propulsion，MPF）[1，2]。

1.1 BCF模式仿生魚(yú)

BCF模式仿生魚(yú)通過(guò)擺動(dòng)身體的某一部分和尾鰭，能夠產(chǎn)生向前推力。由于BCF模式仿生魚(yú)能夠快速、高效和連續(xù)游動(dòng)，得到國(guó)內(nèi)外廣泛研究。

1.1.1 單關(guān)節(jié)擺動(dòng)模式仿生魚(yú)。單關(guān)節(jié)擺動(dòng)模式仿生魚(yú)通過(guò)擺動(dòng)尾鰭產(chǎn)生向前的推力。北京航空航天大學(xué)研制的SPC-II仿生魚(yú)長(zhǎng)1.2m，能以1.5m/s的速度在水下連續(xù)游動(dòng)2～3h。瑞士科學(xué)技術(shù)學(xué)院研制的Boxy Bot仿生魚(yú)，通過(guò)箱鲀科模式尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生向前的推力，并利用胸鰭控制方向，實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

1.1.2 多關(guān)節(jié)擺動(dòng)模式仿生魚(yú)。麻省理工學(xué)院研制的多關(guān)節(jié)擺動(dòng)模式仿生魚(yú)Robo Tuna與無(wú)人潛水器相比，具有更高的效率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超冗余串并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿生魚(yú)，能夠通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的內(nèi)力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)仿生魚(yú)的變剛度，如圖2所示。

1.1.3 柔性體擺動(dòng)模式仿生魚(yú)。麻省理工學(xué)院采用硅膠制作柔性體仿生魚(yú)的魚(yú)尾，并通過(guò)線(xiàn)繩牽引使魚(yú)尾進(jìn)行擺動(dòng)，具有較好的游動(dòng)性能，如圖3所示。美國(guó)東北大學(xué)研制的仿七鰓鰻魚(yú)仿生魚(yú)，利用電流對(duì)10條Ti-Ni絲進(jìn)行加熱，并根據(jù)其互伸長(zhǎng)與縮短實(shí)現(xiàn)柔性魚(yú)體擺動(dòng)。

1.2 MPF模式仿生魚(yú)

MPF模式仿生魚(yú)主要借助尾鰭以外的其他鰭產(chǎn)生向前的推力，與BCF模式仿生魚(yú)相比，具有更高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、定位能力和機(jī)動(dòng)性。愛(ài)沙尼亞塔爾圖大學(xué)研制的仿鰩魚(yú)仿生魚(yú)，采用胸鰭作為推進(jìn)機(jī)構(gòu)，游速可達(dá)5mm/s。新加坡南洋理工大學(xué)研制的仿墨魚(yú)仿生魚(yú)，質(zhì)量達(dá)9kg，采用胸鰭作為推進(jìn)機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鰭條上下平動(dòng)，游速可達(dá)20cm/s。美國(guó)東北大學(xué)研制的仿生魔鬼刀魚(yú)仿生魚(yú)，采用臀鰭作為推進(jìn)機(jī)構(gòu)，具有先進(jìn)的感知能力。

2 仿生魚(yú)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

仿生魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制指在液體環(huán)境中，根據(jù)仿生魚(yú)運(yùn)動(dòng)情況對(duì)仿生推進(jìn)器和操縱面進(jìn)行控制，使其保持一定姿態(tài)并按指定軌跡運(yùn)動(dòng)。由于液體環(huán)境的復(fù)雜性及擾動(dòng)的隨機(jī)性，仿生魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究，采用的控制方法主要有逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法、常規(guī)閉環(huán)控制方法和智能控制方法[3]。

2.1 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法對(duì)仿生魚(yú)進(jìn)行控制。針對(duì)BCF模式仿生魚(yú)，采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法控制仿生魚(yú)的尾鰭，使仿生魚(yú)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的游動(dòng)[4]。針對(duì)MPF模式仿生魚(yú)，采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法控制仿生魚(yú)的拍動(dòng)鰭和波動(dòng)鰭，使仿生魚(yú)能夠自由游動(dòng)[5]。由于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法屬于開(kāi)環(huán)控制范疇，在本質(zhì)上只能模仿仿生魚(yú)的低層次運(yùn)動(dòng)形式，使仿生魚(yú)完成直航、轉(zhuǎn)彎等基本動(dòng)作，但無(wú)法滿(mǎn)足完成復(fù)雜動(dòng)作及在不確定場(chǎng)合應(yīng)用的控制需求。

2.2 常規(guī)閉環(huán)控制方法

鑒于逆運(yùn)動(dòng)控制方法不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將閉環(huán)控制方法引入仿生魚(yú)控制，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。采用PID控制器設(shè)計(jì)出一種基于形變補(bǔ)償?shù)姆律~(yú)控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)仿生魚(yú)的深度控制[6]。但由于PID控制器為線(xiàn)性控制，控制器的性能只有在設(shè)定工作點(diǎn)附近才具有較好的控制性能，難以在復(fù)雜液體環(huán)境和隨機(jī)擾動(dòng)下取得滿(mǎn)意的控制效果。Liu J D[4] 基于自適應(yīng)控制理論設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制器，并將其應(yīng)用于水下機(jī)器人控制，控制效果較好，但自適應(yīng)控制需以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在很大程度上限制了其應(yīng)用。Chatchanayuenyong和Parnichkun采用滑膜控制對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行定點(diǎn)控制，采用Pontryagin時(shí)間最優(yōu)原則確定模態(tài)切換，并在模態(tài)切換階段利用PI控制代替滑膜控制，控制響應(yīng)良好，且無(wú)明顯抖振現(xiàn)象。由于滑膜控制是以控制量的高頻抖振換取對(duì)外界干擾和系統(tǒng)攝動(dòng)的自適應(yīng)性的，實(shí)際應(yīng)用中執(zhí)行器基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

2.3 智能控制方法

由于仿生魚(yú)自身動(dòng)力學(xué)模型較為復(fù)雜，且所處液體環(huán)境干擾較多，采用傳統(tǒng)基于模型的控制法對(duì)仿生魚(yú)進(jìn)行控制，難以取得較好效果。近年來(lái)，智能控制理論逐漸成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始將智能控制方法應(yīng)用于仿生魚(yú)控制。Kim 和Yuh通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)模糊控制器，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊控制器，并將其應(yīng)用于水下機(jī)器人控制。張代兵針對(duì)波動(dòng)鰭仿生水下機(jī)器人，通過(guò)分析生物節(jié)律運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制，并基于新型神經(jīng)元振蕩器模型，對(duì)其控制模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，使推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)各種模式的運(yùn)動(dòng)。Carreras、Ridao和Elfakdi通過(guò)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近Q函數(shù)，并引入樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，提出一種半在線(xiàn)神經(jīng)Q學(xué)習(xí)算法，并將其應(yīng)用于水下機(jī)器人的控制。

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)仿生魚(yú)相比，變壓器微型仿生魚(yú)體積更小，但變壓器內(nèi)部環(huán)境較復(fù)雜。本文通過(guò)對(duì)仿生魚(yú)游動(dòng)模式進(jìn)行分析，研究了仿生魚(yú)的控制方法，為進(jìn)一步研制變壓器微型仿生魚(yú)提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李永強(qiáng).基于振動(dòng)推進(jìn)機(jī)理的柔性仿生魚(yú)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]顏欽.基于SMA的仿生柔性魚(yú)鰭三維運(yùn)動(dòng)機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[3]林龍信.仿生水下機(jī)器人的增強(qiáng)學(xué)習(xí)控制方法研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[4] Liu J D. A 3D Simulator for Autonomous Robotic Fish[J]. International Journal of Automation and Computing，2004（1）：42-50.

[5] Menozzi A， Leinhos H A， Beal D N， et al. Open-loop Control of a Multifin Biorobotic Rigid Underwater Vehicle[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，2008（2）：59-68.

[6]周超，曹志強(qiáng)，王碩，等.仿生機(jī)器魚(yú)俯仰與深度控制方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008（9）：1215-1218.