基于柔性波动膜的敏捷水下车辆多模式运动控制研究

《Scientific Reports》：Multi-directional control of a bio-inspired robot with a single undulating fin propulsion

　　敏捷且高机动性水下车辆的控制对于探索复杂海洋环境至关重要，包括对靠近海洋结构和浅水区域的水下勘察。目前，传统的自主水下航行器（AUV）和遥控水下航行器（ROV）在穿越这些狭窄空间时可能会遇到挑战。在这项工作中，我们探索将柔性波动膜用作水下车辆的推进和力控制机制。我们提出了一种控制方案，通过对两列反向传播波的振幅进行调节，可以实现广泛的运动控制，包括位置保持、航向控制、转向和速度控制。我们首先通过用户手动操作演示该方案，然后采用闭环反馈来调节鳍的驱动以控制车辆的运动。自由游动是通过沿车辆腹部位置安装的延伸膜来实现的。膜鳍通过独立控制的柔性支撑臂进行驱动。该车辆在水槽中以不同的流速进行测试，并在试验池中利用实时跟踪技术获取其位置和姿态信息。通过对正弦行波进行时间变化和空间调制，可以实现对车辆的控制轨迹，以及在外部扰动下的位置保持。最后，我们展示了车辆在物体尾流中游泳的情况，此时鳍必须克服由脱体涡旋引起的流动波动。我们发现，针对柔性鳍运动学的相对简单的控制器就足以完成路径跟踪、位置保持以及各种游动机动动作，为复杂环境中的传统推进机制提供了一种灵活的替代方案。虽然控制是通过正弦行波实现的，但人们设想，通过进一步探索更广泛的运动学方法以实现最优游动，将使人工制造的船只能够执行水生动物所能完成的优美机动动作。