咽颌模式仿生胸鳍的控制系统研究

摘要

研究和开发咽颌模式仿生胸鳍水下推进技术旨在提高水下推进装置的机动灵活性、推进效率以及改善其推进时的流体特性。相对于刚性仿生胸鳍而言咽颌模式仿生胸鳍具有多鳍条结构的特点,针对这个特点本文建立了一套咽颌模式仿生胸鳍控制系统,为揭示咽颌模式胸鳍的推进机理提供试验平台。本文主要做了如下工作:
　　首先,对咽颌模式胸鳍的骨骼结构、肌肉控制以及运动形态进行分析,对胸鳍在一个摆动周期内的运动形态做了一定合理的简化。在简化的基础上建立了仿生胸鳍的运动学模型,并对该运动学模型进行Matlab仿真,将仿真结果和实际胸鳍的运动进行对比,验证了该运动模型的有效性。
　　然后,对咽颌模式胸鳍仿生机构包括鳍条、鳍基、鳍间隔膜以及鳍条传动驱动部分的设计进行分析,根据胸鳍仿生机构结构特点确定了以微型直流伺服电机对仿生鳍条进行驱动控制,并建立了一套基于 CAN总线的分布式控制系统,该控制系统采用8个CPU对8个驱动鳍条作摆动运动的电机进行控制,并详细介绍了控制系统中采用的硬件电路以及PCB设计。
　　其次,根据咽颌模式仿生胸鳍的控制系统的要求,对鳍条驱动电机的控制采用转角和转速双闭环控制,并介绍了各个鳍条控制子系统中程序设计流程。在CAN2.0B协议的基础上,制定了本系统中各个上位机和控制子系统之间以及控制子系统之间的CAN总线通信协议。并介绍了胸鳍控制系统上位机人机交互界面以及上位机的CAN总线通信程序流程。
　　最后,对所建立的仿生胸鳍控制系统进行试验,主要是对仿生胸鳍的水下摆动运动控制进行试验,将仿生胸鳍的运动形态和已建立的运动模型的仿真结果做比较,验证仿生胸鳍控制系统的有效性。

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变量注释表

1 绪论

1.1 背景介绍和研究意义(Background and Significance)

1.2 鱼类游动的基本概念(Basic Concept of Fish Swimming)

1.3 咽颌模式胸鳍仿生的国内外研究现状及发展趋势(Domestic and Oversea Research Status and Development Trendency of Bionic Labriform Pectoral Fin)

1.4 其它各类鳍仿生的研究现状(Research Status of Other Kinds of Bionic Fin)

1.5 本论文的研究内容(Research Content of this Paper)

2 咽颌模式胸鳍运动学模型的建立

2.1 咽颌模式胸鳍的骨骼结构(Skeleton of Labriform Pectroal Fin)

2.2 胸鳍肌肉控制分析(Analysis of Pectoral Fin Muscle Control)

2.3 胸鳍的运动形态分析(Analysis of Pectroal Fin Motion Morphology)

2.4 胸鳍运动学模型的建立(Kinematic Modeling of Pectoral Fin)

2.5 仿生胸鳍的运动学模型仿真(Kinematic Simulation of Bionic Pectroal Fin)

2.6 本章小结(Chapter Conclusion)

3 胸鳍仿生机构及其控制系统硬件

3.1 胸鳍仿生机构的设计(Design of Bionic Pectoral Fin Mechanism)

3.2 胸鳍控制系统硬件的整体结构(Hardware Structure of Pectoral Fin Control System)

3.3 鳍条电机功率驱动模块(Power Drive Module of Bionic Fin Ray Motor)

3.4 鳍条电机控制模块(Control Module of Bionic Fin Ray Motor)

3.5 光电隔离电路(Optocoupler Isolating Circuit)

3.6 控制系统的PCB设计(PCB Design of Control System)

3.7 本章小结(Chapter Conclusion)

4 仿生胸鳍控制系统程序设计

4.1 仿生胸鳍控制系统的要求(Requirements of Bionic Pectoral Fin Control System)

4.2 鳍条驱动电机的控制(Control of Bionic Fin ray Driving motor)

4.3 电机转速的测量(Measurement of Motor Speed)

4.4 仿生鳍条控制子模块组网通信(Network Communication of Bionic Fin ray Control Submodule)

4.5 上位机人机交互程序(Human-computer Interaction Program)

4.6 本章小结(Chapter Conclusion)

5 仿生胸鳍推进试验研究

5.1 仿生胸鳍控制试验系统(Experimental Control System of Bionic Pectoral Fin)

5.2 仿生胸鳍水下推进试验(Undersea Propulsion Experiment of Bionic Pectoral Fin)

5.3 本章小结(Chapter Conclusion)

6 总结和展望

6.1 总结(Conclusion)

6.2 展望(Outlook)

参考文献

作者简历

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