机器鱼运动形态与比赛项目策略研究

论文摘要

地球表面的三分之二覆盖着辽阔的海洋，开发海洋资源成为人类未来的一个重要目标。仿生机器鱼研究作为水中推进器研究的一个分支，已经引起国内外越来越多科技工作者的兴趣。仿生机器鱼在海洋环境研究、海洋资源探测与开发、水下环境考古、水下军事技术等等领域都有着广阔的应用前景。随着海洋开发需求的快速增长以及各种新技术、新材料的出现，使得适应各种水下环境的仿生机器鱼技术得到了迅猛发展。然而实体机器鱼的研发需要相当多的研究经费，在一些科研经费缺乏的情况下，严重的阻碍了技术研究的步伐。开发合适的机器鱼仿真系统可以降低实体机器鱼相关领域研究的成本，成为测试仿生机器鱼综合技术的理想平台，是加快机器鱼技术发展的一个重要途径。机器鱼水球比赛以推进机器鱼技术发展为主要目标，同时开展仿生机器鱼知识的普及和学校教育，可以引导更多的学生参与到仿生机器人技术开发的行列中。URWPGSim2D2.0仿真系统由北京大学智能控制实验室负责开发，本人有幸参与此仿真系统的研发工作，在一年半的时间里，展开了对仿生机器鱼技术的研究，并完成了多个模块的设计与实现。主要完成的工作如下：（1）对原有的URWPGSim2D1.0仿真系统进行研究，了解系统的运行机制，底层结构，人机交互设计。研究系统中存在的一些问题，准备2.0版本的开发工作。（2）设计并实现了鱼体尾部各个关节的的外观；根据鱼体波理论设计并实现了鱼体的运动状态，使鱼体游动的形态更加倾向于自然鱼类的游动形态。（3）设计并实现了12米带球接力项目。该项目利用仿真系统中给出的扩展项目接口，初始化仿真场地的各个对象实体，并实现了两条机器鱼交替带球接力完成四个单程任务的比赛环境。（4）位姿到点模块、位姿到位姿模块的设计与实现。这两个模块作为所有比赛策略编写的基本支撑模块，在一定程度上决定了比赛的结果。对于位姿到点模块，本人采用了两种不同的设计思路完成了这个模块，使模块的效率得到更进一步的提升。基于动态人工势场法，设计并实现了位姿到位姿模块，并取得了良好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人系统
• 1.2.1 机器人系统的发展
• 1.2.2 典型的机器人系统
• 1.3 机器鱼系统发展的意义
• 1.4 机器鱼仿真系统发展的意义
• 1.5 机器鱼比赛情况简介
• 1.6 本文研究工作的意义
• 1.6.1 科研意义
• 1.6.2 教育意义
• 1.7 本论文的组织思路
• 第二章 URWPGSim2D 仿真系统
• 2.1 引言
• 2.2 开发环境
• 2.2.1 硬件环境
• 2.2.2 软件环境
• 2.2.3 搭建标准开发环境
• 2.3 平台结构
• 2.3.1 平台整体结构
• 2.3.2 系统底层结构概述
• 2.3.3 系统比赛控制部分概述
• 2.3.4 人机交互概述
• 2.4 平台界面及操作
• 2.5 本章小结
• 第三章 机器鱼运动形态设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 鱼体波理论
• 3.3 仿真系统连杆式结构机器鱼运动形态的设计
• 3.3.1 杆系机器鱼结构
• 3.3.2 杆系结构机器鱼的尾部关节偏转
• 3.4 仿真系统连杆式结构机器鱼运动形态的实现
• 3.4.1 仿真系统中鱼体尾部关节的外形设计
• 3.4.2 仿真系统中鱼体尾部关节摆动的实时绘制
• 3.5 本章小结
• 第四章 十二米带球接力比赛项目的设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 平台标准比赛设置
• 4.2.1 仿真场地设置
• 4.2.2 仿真机器鱼设置
• 4.2.3 仿真水球设置
• 4.2.4 仿真机器鱼队伍设置
• 4.2.5 仿真比赛计时设置
• 4.2.6 仿真比赛计分设置
• 4.3 十二米带球接力比赛项目设计
• 4.3.1 比赛场地设计
• 4.3.2 比赛内容设计
• 4.3.3 比赛过程设计
• 4.3.4 比赛规则设计
• 4.3.5 比赛时间设计
• 4.3.6 记分规则设计
• 4.4 十二米带球接力比赛项目实现
• 4.5 十二米带球接力比赛项目实现效果
• 4.6 本章小结
• 第五章 比赛策略基本模块设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 位姿到点模块的设计与实现
• 5.2.1 设计算法一
• 5.2.2 设计算法二
• 5.2.3 两种不同设计思想的结论
• 5.3 位姿到位姿模块
• 5.3.1 位姿到位姿模块的设计
• 5.3.2 位姿到位姿模块的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录 1 实时绘制鱼体尾部运动形态的程序模块
• 附录 2 POSE2POSE 程序模块
• 发表论文和参加科研情况说明
• 发表论文情况
• 参加的科研项目以及获奖情况
• 致谢