题目：胸鳍摆动推进仿生鱼设计及控制方法研究

鱼类胸鳍摆动推进模式具有高效、高机动性及流体扰动小等显著特点，为未来水下机器人的仿生设计提供了新的思路，在军事、民用等领域有着十分广阔的应用前景。本文以胸鳍摆动推进模式为研究对象，围绕胸鳍摆动推进模型、仿生鱼动力学模型及俯仰稳定性分析、胸鳍摆动推进仿生机器鱼设计、仿生鱼的运动与姿态控制等方面开展研究，主要研究内容如下：

(1) 分析了仿生原型“牛鼻鲼”的生物学特征和胸鳍运动变形特征。由生物学分析可知，牛鼻鲼胸鳍具有分布式柔性特征，靠近鳍根和前缘处刚性较大，靠近翼尖及后缘柔性较大。由运动分析可知，胸鳍弦向运动变形近似为运动波的传递，运动波数目约为0.4，展向运动变形可用三次函数近似描述。

(2) 构建了摆动胸鳍水动力计算模型，为仿生胸鳍的构建提供理论基础。首先，将摆动胸鳍的运动变形视为主动运动和被动柔性变形共同作用的结果，其中主动运动分解为绕鳍根的摆动和弦向俯仰运动，被动柔性变形分解为弦向变形和展向变形，在此基础上给出摆动胸鳍的运动变形表达式；最后，基于准稳态叶素理论构建摆动胸鳍的水动力计算模型，并计算分析构型参数、运动参数和摆动胸鳍推进性能的关系，以用于指导仿生胸鳍的设计。

(3) 基于牛顿欧拉方程建立了仿生鱼的动力学模型，并以此为基础对仿生鱼俯仰稳定性进行分析，提出仿生鱼具有自然稳定性和控制稳定性的必要条件。其中，自然稳定性可通过调整浮心和质心的相对位置、采用扁平鱼体和增加平尾面积等手段进行改善，而控制稳定性可通过实时控制尾舵摆角进行保证。

(4) 构建了具有主/被动变形能力的仿生胸鳍。其中，仿生胸鳍的主动变形控制通过一个两自由度的空间并联机构实现，被动变形通过具有展弦柔性的鳍条骨架实现。在此基础上，构建了具有扁平鱼体的仿生鱼样机。自由游动实验表明，样机游速可达1倍身长比每秒，转弯速度达60°/s，且具有原地转弯能力。

(5) 基于仿生样机开展了一系列自由游动实验，分析总结了仿生样机的巡游性能及机动性能，为研究自主游动控制方法提供了实验基础。搭建水动力实验平台，实验研究了仿生胸鳍的瞬时推升力特性，以及各运动控制参数与推进性能之间的关系，验证了基于准稳态叶素理论的仿生胸鳍水动力计算模型的可靠性。

(6) 将双闭环控制系统和基于CPG的运动控制系统相结合，建立了适用于胸鳍摆动推进仿生鱼的运动与姿态控制系统。其中，双闭环控制系统将专家控制和模糊控制相结合，用于生成仿生胸鳍的运动控制参数。而基于CPG的运动控制器则根据运动控制参数生成仿生鱼各驱动鳍条的节律运动。在此基础上，开展了仿生鱼点到点自主游动实验及定深游动实验，验证了运动与姿态控制系统的有效性。