IPMC驱动柔性机器鱼速度控制系统

摘要

离子聚合物金属复合材料(IPMC)作为一种典型的柔性智能材料,具有质量轻、变形大,可在水下运行等独特优点,在制作柔性机器鱼领域展现了突出优势.实现IPMC驱动机器鱼的独立运行和速度可控对于推动其实际应用具有重要意义.由于IPMC性能限制,使得机器鱼负载能力有限,对传感器和控制单元的质量和体积均有较高要求;同时由于游动速度信号的采集和处理较为困难等原因,现有IPMC驱动机器鱼大多是以开环方式来控制,少数关于游动速度的反馈控制也是以理论研究为主或者借助外接仪器和传感器来测量参数,均未能实现独立运动下IPMC驱动机器鱼的速度反馈控制.因此,文中在制造无外接电源、独立运动机器鱼的前提下实现对游动速度的闭环控制,通过在机器鱼内部安装惯性测量单元来测量游动速度,并对其设计了比例-积分-微分(PID)控制器反馈速度控制系统,利用MATLAB对控制系统进行仿真,使用单片机、陀螺仪等制作印制电路板(PCB),利用性能优良的IPMC材料制备具有可观负载能力的机器鱼样机,并进行了预设速度分别为3 mm/s和6 mm/s时的实验.实验结果表明,机器鱼的独立运行和速度得到了精确控制,最终使得机器鱼约在1.8 s时达到预设速度且稳态误差保持在±0.4 mm/s以内,速度控制误差不超过8％.文中所做研究可为机器鱼游动闭环控制研究提供参考.