一種胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速大俯仰角變化運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速大俯仰角變化運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下幾個(gè)步驟：步驟1、建立快速俯仰運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；步驟2、建立具有時(shí)間、空間非對(duì)稱特征的相位振蕩器模型；步驟3.建立CPG控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；步驟4、建立快速俯仰運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本發(fā)明采用多驅(qū)動(dòng)的胸鰭與尾部協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)空間、時(shí)間非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)特性，致使機(jī)器魚能夠產(chǎn)生的俯仰力矩遠(yuǎn)大于通過(guò)魚鰾或單一尾鰭偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的力矩，因此本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速俯仰(俯仰角變化大于60°)運(yùn)動(dòng)，大大提升機(jī)器魚面對(duì)水下垂直壁面型障礙物的越障、避障能力。
【專利說(shuō)明】一種胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速大俯仰角變化運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于仿生學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速大俯仰角變化 運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 胸鰭拍動(dòng)式魚類，如魔鬼魚Manta、牛鼻鲼和鷹嘴鷂等，通過(guò)拍動(dòng)胸鰭使波動(dòng)變形 沿胸鰭弦向傳遞（胸鰭上傳遞波長(zhǎng)小于1)，產(chǎn)生推進(jìn)力和升力，通過(guò)尾鰭微調(diào)俯仰運(yùn)動(dòng)。胸 鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚具備良好的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性、推進(jìn)效率。其高機(jī)動(dòng)性由胸鰭和尾部（軀干后 三分之一部分和尾鰭部分）的主動(dòng)變形協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)快速俯仰、小半徑轉(zhuǎn)彎、滑翔、翻滾 等姿態(tài)。胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚具備的快速俯仰、零半徑徑轉(zhuǎn)彎等高機(jī)動(dòng)能力具有重要意義，為 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形下的海洋探測(cè)、軍事偵察提供實(shí)際應(yīng)用可能。
[0003] 現(xiàn)有的胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚主要采用兩種方式實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。第一種方式為利用魚 鰾原理實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變機(jī)器魚自身浮力、浮心位置實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng)，通常這種方式由 于可以改變的排水量范圍有限、俯仰力矩的力臂變化有限，從而無(wú)法短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生足夠的 俯仰姿態(tài)變化或機(jī)器魚深度變化；并且需要控制俯仰運(yùn)動(dòng)的魚鰾裝置，增加機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜 度。第二種方式為利用后部尾鰭，在具備較大游動(dòng)速度情況下，通過(guò)改變尾鰭俯仰角度被動(dòng) 產(chǎn)生俯仰力矩，其原理在于通過(guò)尾鰭偏轉(zhuǎn)改變流體速度方向，從而獲得相互作用力，跟噴氣 式飛機(jī)尾翼原理類似；這種方式在高游動(dòng)速度下比較有效，在低游動(dòng)速度下基本失效，且短 時(shí)間內(nèi)無(wú)法形成大俯仰角變化。為使胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚面對(duì)陡峭型障礙物時(shí)，具備較強(qiáng)的 越障能力，發(fā)明一種不受游動(dòng)速度限制的快速大俯仰角變化運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚依靠魚鰾原理或尾鰭無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速且 超過(guò)60°的大俯仰姿態(tài)變化的問(wèn)題，提出一種生物中樞模式發(fā)生器Central Pattern Generator (簡(jiǎn)稱CPG)控制方法，協(xié)調(diào)控制多驅(qū)動(dòng)胸鰭與尾部實(shí)現(xiàn)胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速 大俯仰角變化的運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)稱快速俯仰運(yùn)動(dòng)）。
[0005] 本發(fā)明的一種胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速大俯仰角變化運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下幾 個(gè)步驟：
[0006] 步驟1、建立快速俯仰運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；
[0007] 步驟2、建立具有時(shí)間、空間非對(duì)稱特征的相位振蕩器模型；
[0008] 步驟3.建立CPG控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0009] 步驟4、建立快速俯仰運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0011] (1)采用多驅(qū)動(dòng)的胸鰭與尾部協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)空間、時(shí)間非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)特性，致使機(jī) 器魚能夠產(chǎn)生的俯仰力矩遠(yuǎn)大于通過(guò)魚鰾或單一尾鰭偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的力矩，因此本發(fā)明能夠 實(shí)現(xiàn)胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速俯仰（俯仰角變化大于60° )運(yùn)動(dòng)，大大提升機(jī)器魚面對(duì)水下 垂直壁面型障礙物的越障、避障能力。
[0012] (2)通過(guò)CPG控制方法可以進(jìn)行復(fù)雜的多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)簡(jiǎn)化，并通過(guò)CPG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 和單元間的耦合關(guān)系形成各種特定的工作模式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各模式間的順滑切換；本發(fā) 明采用CPG控制方法將快速俯仰運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為一種運(yùn)動(dòng)模式，協(xié)調(diào)控制多驅(qū)動(dòng)胸鰭與尾部， 實(shí)現(xiàn)快速俯仰運(yùn)動(dòng)模型中胸鰭與尾部的時(shí)間、空間非對(duì)稱拍動(dòng)特性及其相互間的運(yùn)動(dòng)關(guān) 系，并且降低了控制參數(shù)的維數(shù)，最終通過(guò)控制周期、振幅、時(shí)間非對(duì)稱系數(shù)、空間非對(duì)稱系 數(shù)實(shí)現(xiàn)胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚的快速俯仰運(yùn)動(dòng)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的牛鼻鲼快速爬升姿態(tài)示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明的牛鼻鲼快速爬升姿態(tài)數(shù)據(jù)分析示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明的CPG控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明的快速俯仰運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0018] 本發(fā)明主要保護(hù)的技術(shù)方案：
[0019] (1)提出胸鰭拍動(dòng)式魚類胸鰭與尾部聯(lián)合拍動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速俯仰的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，包括 胸鰭拍動(dòng)過(guò)程中空間非對(duì)稱性特征（以魚類軀干平面為參考平面，軀干平面上側(cè)的胸鰭拍 動(dòng)幅度與下側(cè)的拍動(dòng)幅度不相等）、時(shí)間非對(duì)稱性特征（胸鰭向下拍動(dòng)行程的時(shí)間與向上 拍動(dòng)行程的時(shí)間不相等），尾部拍動(dòng)的空間、時(shí)間非對(duì)稱性特征，以及胸鰭與尾部的運(yùn)動(dòng)關(guān) 系。
[0020] (2)提出基于相位振蕩器模型的CPG控制方法，在胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚上實(shí)現(xiàn)快速 俯仰運(yùn)動(dòng)，包括構(gòu)建特殊結(jié)構(gòu)形式的CPG網(wǎng)絡(luò)，確定CPG單元間的耦合關(guān)系，提出空間、時(shí)間 非對(duì)稱性特征的實(shí)現(xiàn)方式。
[0021] (4)具備時(shí)間、空間非對(duì)稱特征的CPG相位振蕩器模型：
[0022]

【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明的一種胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速大俯仰角變化運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下幾個(gè) 步驟： 步驟1、建立快速俯仰運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 通過(guò)采集胸鰭拍動(dòng)式魚類牛鼻鲼快速爬升姿態(tài)過(guò)程的視頻信息，選取牛鼻鲼胸鰭和尾 部邊緣數(shù)據(jù)點(diǎn)，生成邊緣數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置信息，定義相對(duì)坐標(biāo)系OXYZ，坐標(biāo)原點(diǎn)0為頭部右側(cè) 邊緣線與右側(cè)胸鰭邊緣線的交點(diǎn)；X軸沿胸鰭展向方向，即軀干寬度方向；Y軸沿胸鰭弦向 方向，即軀干長(zhǎng)度方向；Z軸方向由右手定則確定，垂直于魚體軀干平面；從數(shù)據(jù)點(diǎn)中選取 典型特征點(diǎn)胸鰭前緣中點(diǎn)P:、胸鰭前后緣交叉點(diǎn)P2、胸鰭后緣中點(diǎn)己、尾鰭頂端點(diǎn)T7，得到這 四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系，其中Z軸坐標(biāo)以點(diǎn)己拍動(dòng)的最大振幅maxA為單位，下 標(biāo)a、b、c分別對(duì)應(yīng)各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)周期中的起始點(diǎn)、中間點(diǎn)、終止點(diǎn)；
其中Si、A'pApVpt、分別表示第i個(gè)邊緣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Z向位移、振幅偏置、振幅、頻 率、時(shí)間、初始相位；viJip、Vi_d_表示向上拍動(dòng)頻率、向下拍動(dòng)頻率;AiJiax、AiJlin表示振幅最 大值即正振幅、最小值即；A表示第j邊緣點(diǎn)與第i個(gè)邊緣點(diǎn)之間的初始相位差； 魚體快速爬升運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)具體如下，胸鰭上拍的時(shí)間為下拍的〇. 8/0. 43倍，上拍 的頻率v2up是下拍頻率v2d_的0. 43/0. 8倍，約為0. 5倍；尾部上拍頻率v7 up為下拍頻率 v7d_的0. 27/0. 53倍，約為2倍；尾部T7在胸鰭Pi點(diǎn)開始下拍時(shí)刻從Z坐標(biāo)0處開始上 拍，在Pi下拍到最大值時(shí)刻達(dá)到最大振幅值，即T7與Pi之間相位差A(yù)(}> 17(|約180° ;胸鰭 正振幅A2 _為負(fù)振幅A2 _的0. 54/1倍，尾部正振幅A7 _為0. 29maxA，負(fù)振幅A7>約 為0 ;胸鰭邊緣點(diǎn)Pi、P2、P3之間的相位差A(yù)(}>ijQ約為30°至45° ; 步驟2、建立具有時(shí)間、空間非對(duì)稱特征的相位振蕩器模型 建立振蕩器模型如下：

其中參數(shù)i表示CPG單元序號(hào)，取值為1?7, 0i分別表示相位、振幅、偏置 和輸出，公式（5)、（6)、（7)、（8)分別為相位方程、振幅方程、偏置方程和輸出方程；相位方 程主要控制各連接單元間的相位關(guān)系，其中，vpzl奶7分別表示頻率、i單元與j單元 間的連接權(quán)重、期望相位差，當(dāng)連接權(quán)重值越大時(shí)，表示j單元對(duì)i單元的相位影響越顯著； 振幅方程中，氏表示期望振幅，ai為正值常數(shù)，當(dāng)ai值越大時(shí)，ri趨近于R1速度越快，光滑度 降低；偏置方程與振幅方程具有一樣的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，\為期望偏置，b,為正值常數(shù)，主要 用于控制機(jī)器魚的空間非對(duì)稱拍動(dòng)；輸出方程中0 ^乍為單個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)舵機(jī)的角度輸入； CPG振蕩器的極限環(huán)如公式（9)所示，為初始相位，此時(shí)相位與期望相位差存在如 公式（10)所示的關(guān)系，由此關(guān)系推出CPG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中任意兩個(gè)單元間的連接關(guān)系；由于相 位振蕩器模型具有振幅獨(dú)立控制的特性，因此單元間的相互連接關(guān)系表現(xiàn)為相位關(guān)系，如 CPG單元2與5的關(guān)系如公式（11)所示； 公示（12)為空間非對(duì)稱表述方程，其中ai為空間非對(duì)稱系數(shù)，表示驅(qū)動(dòng)單元輸出最 大值與整個(gè)下拍或上拍行程的比值；當(dāng)a,為1/2時(shí)，表示空間對(duì)稱拍動(dòng)；當(dāng)a,為2/3時(shí)， 向振幅是負(fù)向振幅的2倍；當(dāng)a1/3時(shí)，0 向振幅是正向振幅的2倍； 公示（13)為時(shí)間非對(duì)稱表述方程，以CPG單元1的輸出斜率4作為判斷胸鰭上拍、下 拍的依據(jù)4為正時(shí)，表示胸鰭上拍，頻率Vi為上拍頻率viup; 4:為負(fù)時(shí)，表示胸鰭下拍， 頻率Vi為下拍頻率vid_; 公示（14)、（15)引入時(shí)間非對(duì)稱系數(shù)0p表示上拍行程所用時(shí)間與整個(gè)上下拍運(yùn)動(dòng)周 期的比值，取值為（〇, 1)，凡為拍動(dòng)周期；iS〇.5時(shí)，表示時(shí)間對(duì)稱拍動(dòng)；iS2/3時(shí)，表 示上拍時(shí)間是下拍時(shí)間的2倍，即上拍頻率是下拍頻率的1/2倍；0 1/3時(shí)，表示上拍時(shí) 間是下拍時(shí)間的1/2倍，即上拍頻率是下拍頻率的2倍； 公示（16)為頻率連續(xù)性過(guò)渡方程，通過(guò)指數(shù)函數(shù)避免頻率^^與vid_之間切換時(shí) 的跳躍，使之連續(xù)光滑，k為常數(shù)，用于控制頻率過(guò)渡的快慢程度； 公示（17)為CPG振蕩器模型的最終表述形式，包含頻率方程、相位方程、振幅方程、偏 置方程和輸出方程，實(shí)現(xiàn)胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚8個(gè)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)輸出角度的振幅、頻率、相位差、 空間非對(duì)稱特征和時(shí)間非對(duì)稱特征的可控性； 步驟3.建立CPG控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 根據(jù)機(jī)器魚8個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)間的相互關(guān)系特性，確定最簡(jiǎn)化CPG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括7個(gè)CPG單元，單元1、2、3為右側(cè)胸鰭控制單元、單元4、5、6為左側(cè)胸鰭控制單元、單元7為尾部控 制單元；以單元1作為主控單元，負(fù)責(zé)右側(cè)胸鰭單元間的通信，并與左側(cè)胸鰭、尾部通信；單 元4作為左側(cè)胸鰭的主控單元； CPG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)：
CPG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接權(quán)重矩陣如公式（18)所示，網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值設(shè)為2,將《91單獨(dú)設(shè)為4， 相位差矩陣如公式（19)所示，設(shè)定如下：?jiǎn)蝹?cè)胸鰭CPG單元間的相位差約為30°，即單元 1比2相位超前30°，單元2比3相位超前30° ;左右側(cè)胸鰭CPG單元1和4同步拍動(dòng)；單 元7相位滯后單元1相位為180°，即尾部運(yùn)動(dòng)與胸鰭運(yùn)動(dòng)反向； 所有CPG單元周期設(shè)定為同一值TG[1.25, 2. 5]，即頻率為0.4至0.8Hz范圍內(nèi)；所 有CPG單元幅度設(shè)定如公式（21)所示；參數(shù)T和R決定俯仰運(yùn)動(dòng)的速度； CPG單元1?6的時(shí)間非對(duì)稱系數(shù)設(shè)定為0，單元7為1- 0，保證胸鰭上拍頻率與尾部 下拍頻率相等，胸鰭下拍頻率與尾部上拍頻率相等； CPG單元1?6的空間非對(duì)稱系數(shù)設(shè)定為a，單元7的空間非對(duì)稱系數(shù)由快速俯仰運(yùn) 動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)歸納總結(jié)為2-3a; 胸鰭拍動(dòng)式機(jī)器魚快速大俯仰角變化運(yùn)動(dòng)的方向、加速度主要由時(shí)間非對(duì)稱系數(shù)0、 空間非對(duì)稱系數(shù)a決定；當(dāng)0大于0. 5且a小于0. 5時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速爬升運(yùn)動(dòng)；當(dāng)0小于 0. 5且a大于〇. 5時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速下沉運(yùn)動(dòng)； 步驟4、建立快速俯仰運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 高級(jí)控制中心根據(jù)陀螺儀、加速度計(jì)、深度計(jì)、紅外傳感器反饋的信息決策出期望俯仰 角；模糊控制器根據(jù)期望俯仰角與從陀螺儀反饋回的實(shí)際俯仰角信息，生成CPG控制參數(shù) T、R、0、a;這些參數(shù)經(jīng)過(guò)CPG網(wǎng)絡(luò)的迭代計(jì)算，生成機(jī)器魚各運(yùn)動(dòng)組件舵機(jī)的脈沖信號(hào)， 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚快速俯仰運(yùn)動(dòng)的控制。
【文檔編號(hào)】B63H1/36GK104477357SQ201410800422
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】畢樹生, 曹勇, 蔡月日, 馬宏偉 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)