模块化仿生波动推进器设计与控制研究

来源：农业机械学报杂志2024年第11期北京时间：

作者：夏明海，朱群为，殷谦，罗自荣，卢钟岳，蒋涛

单位：国防科技大学,国防科技大学,长沙理工大学,国防科技大学,国防科技大学,国防科技大学,

摘要：仿生波动推进方式具有机动性好、适应性强、环境友好等优势，在水下机器人应用中具有广阔前景。为提高仿生波动鳍推进速度、减小质量与体积、提高可靠性，提出了一种基于凸轮驱动的模块化仿生波动推进器，基于自抗扰控制方法实现仿生波动鳍的频率连续精确控制。针对波动鳍仿生构型进行设计，对正弦波发生机构进行理论计算与运动仿真，推导了凸轮机构瞬时效率公式，平均效率最高可达83.6%。以波动鳍输出频率为控制目标，建立了波动鳍控制模型。理论推导与流体仿真结果表明，在定常频率下波动鳍内部特性与外部负载均呈非线性时变效应。设计了线性自抗扰波频控制器，基于STM32单片机搭建了波动鳍测控实验系统。实验结果表明，在低频与高频下波动鳍均能准确跟踪期望频率，响应曲线平缓连续且无超调，稳态波动误差小于2.3%。当频率为3Hz时，自抗扰控制器与PID控制器输出波动误差分别为6.3%和2.1%，自抗扰控制精度提高66.7%。研究结果表明，该模块化仿生波动推进器控制精度高、集成度好，可任意数量配置到仿生水下机器人上，具有较好的应用价值。

关键词：波动鳍;凸轮机构;自抗扰控制;水下推进器;仿生机器人

基金资助：国家自然科学基金项目（52075537、52105289）和湖南省自然科学基金项目（2023JJ40048）