17、仿生水下滑翔机器人的滑翔运动优化与实时路径规划

仿生水下滑翔机器人的滑翔运动优化与实时路径规划

1. 仿生水下滑翔机器人的滑翔运动优化

1.1 研究背景与动机

水下机器人的高效运动一直是研究的重点，对于仿生水下滑翔机器人而言，提高其滑翔效率和控制性能具有重要意义。传统的控制策略在实际应用中可能存在一定的局限性，因此需要探索新的方法来优化其滑翔运动。

1.2 机器人模型与水动力学模拟

• 机器人介绍 ：该仿生水下滑翔机器人配备了内部可移动质量块和一对胸鳍。
• 模型建立 ：建立了二维滑翔动力学模型，并使用 CFD 方法模拟其在大攻角范围内的水动力学特性。同时，引入了瞬态滑翔运动的概念。

1.3 胸鳍设计与优化

设计了几种不同特性的胸鳍，通过 CFD 模拟结果发现，具有更大水动力的胸鳍更适合用于滑翔运动优化。

1.4 对抗模型与优化策略

• 对抗模型 ：提出了一个包含两个竞争的水下滑翔机器人的对抗模型，用于充分计算滑翔范围。
• 优化策略 ：设计了一个两阶段奖励函数，并提出了基于双 DQN 的优化策略，以通过主动胸鳍提高滑翔效率。

1.5 控制策略设计

基于分解的动力学模型，将滑翔角控制转换为攻角控制。分别使用反步方法和 MPC 方法设计了俯仰控制律和攻角控制律，俯仰控制通过可移动质量块实现，攻角控制通过胸鳍实现。