一種流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚的變阻抗控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚的變阻抗控制方法，解決了由于水環(huán)境動力學引起的非粘性比例阻尼模態(tài)解耦問題。步驟如下：1、構(gòu)造模態(tài)解耦矩陣T，2、進行模態(tài)坐標變換，3、施加模態(tài)空間變阻抗控制律，4、調(diào)節(jié)各階模態(tài)控制器比例增益矩陣Kp及阻抗增益系數(shù)Kf。利用流體驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的特點，在模態(tài)空間內(nèi)構(gòu)造了一種調(diào)節(jié)模態(tài)阻尼的阻抗控制方法，能夠有效的消除水環(huán)境引起的過阻尼特性，激發(fā)仿生魚的模態(tài)諧振，最終實現(xiàn)仿生魚利用模態(tài)共振進行擺動推進的游動機理。本發(fā)明不僅物理意義清晰，而且控制方法簡單有效。
【專利說明】
一種流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚的變阻抗控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水下仿生機器魚及并聯(lián)機構(gòu)領(lǐng)域，具體是一種流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚 的變阻抗控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 魚類經(jīng)過億萬年的進化，其游動效率之高是人類制造的水下航行器所無法比擬 的。目前生物力學的研究已經(jīng)表明，魚類在游動過程中能夠調(diào)節(jié)自身阻抗特性以實現(xiàn)魚體 的模態(tài)諧振，從而利用諧振能量進行游動。因此，從魚類利用諧振能量實現(xiàn)擺動推進的游動 機理出發(fā)研制具有高游動效率的仿生魚已成為仿生魚領(lǐng)域的一個研究熱點。如專利號為 ZL201210152122.2的專利提出了一種變剛度仿生擺動推進裝置，采用多個并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)的 形式構(gòu)成串并聯(lián)仿生魚，利用冗余并聯(lián)機構(gòu)的變剛度技術(shù)以期實現(xiàn)游動過程中的模態(tài)諧 振。然而，水環(huán)境動力學引起的過阻尼特性嚴重抑制模態(tài)諧振峰，因此，研究并聯(lián)機構(gòu)的變 阻抗控制技術(shù)是提高仿生魚游動效率的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供了一種流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚的變阻抗控制方法，是一種 能夠消除水環(huán)境阻尼影響的流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚變阻抗控制方法。
[0004] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):一種流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚的變阻抗控制方 法，步驟如下：
[0005] 步驟1:構(gòu)造模態(tài)解耦矩陣T
[0006] (1 · 1):求解二階特征值問題(MactA2+BactA+Kact) v = 0，獲得2η個特征值A(chǔ)i。其中， Mact，Bact，Kact分別為鉸點空間質(zhì)量陣、阻尼陣及剛度陣。求解方法可采用公知的matlab軟件 提供的polyeig函數(shù)。
[0007] (1.2):對特征值進行排序。
[0008] 將特征值分為兩組:2c個復共輒特征值及2r = 2(n-c)個實特征值。其中：
[0009] 2c個復共輒特征值的排列方式為$4···，Λ^4+.ι二瓦，…，Λλ. = ? ;
[0010] 2r個實特征值的排列方式為{Ac+1〈…<λη<λ η+ε;+1〈…<λ2η}。
[0011] (1.3):特征向量歸一化。
[0012] 求解方程：，獲得丨所對應的歸一化特征向量W，j =1,2, ··· ,n〇
[0014] V=[vi 卜· I vn]，浐.=|v2.B Λ 二虹已區(qū)％，…，λη]，3=diag[A,nl，…，弋,,]。
[0015] 步驟2:進行模態(tài)坐標變換。具體方法為：
[0016] (2.1):根據(jù)支腿壓差信號PL構(gòu)造狀態(tài)變量
Ck為支腿剛度系數(shù)，^為 支腿活塞有效作用面積。
[0017] (2.2):構(gòu)造模態(tài)空間狀態(tài)變量.
[0018] 步驟3:施加模態(tài)空間變阻抗控制律:/ = (心7^) + ；Γ?。
[0019] 其中：i為伺服閥電流輸出信號；e為支腿位移偏差信號；。為比例增益陣， ',=心);Kf為阻抗調(diào)節(jié)增益矩陣，J5：, = diagp/;);
[0020] J； =(Κ? -辦)(；1 -』)-1，T2 = (?/1)-1〇
[0021] 步驟4:調(diào)節(jié)各階模態(tài)控制器比例增益矩陣心及阻抗增益系數(shù)Kf。具體方法為：
[0022]
，其中，ξ為各階模態(tài)控制器設 定阻抗陣，l = diag(|i) -(/? + /?);
[0024] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0025] 本發(fā)明通過構(gòu)造一種新的模態(tài)解耦陣，解決了由于水環(huán)境動力學引起的非粘性比 例阻尼模態(tài)解耦問題。利用流體驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的特點，在模態(tài)空間內(nèi)構(gòu)造了一種調(diào)節(jié)模態(tài) 阻尼的阻抗控制方法，能夠有效的消除水環(huán)境引起的過阻尼特性，激發(fā)仿生魚的模態(tài)諧振， 最終實現(xiàn)仿生魚利用模態(tài)共振進行擺動推進的游動機理。本發(fā)明不僅物理意義清晰，而且 控制方法簡單有效。
【附圖說明】
[0026] 圖1為六自由度串并聯(lián)仿生魚的結(jié)構(gòu)簡圖；
[0027] 圖2為并聯(lián)機構(gòu)的系統(tǒng)方塊圖；
[0028]圖3為模態(tài)空間變阻抗控制原理圖；
[0029]圖4為變阻抗控制器結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖5為二自由度串并聯(lián)仿生魚的結(jié)構(gòu)簡圖；
[0031] 圖6為變阻抗控制頻率特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和舉例對本發(fā)明作進一步說明：
[0033] 實施例1
[0034] 如圖1所示，給出了采用串并聯(lián)形式構(gòu)成的仿生魚結(jié)構(gòu)，其基本單元為并聯(lián)機構(gòu)， 當并聯(lián)機構(gòu)的各支腿采用流體(液壓或者氣壓)驅(qū)動時，系統(tǒng)方塊圖如圖2所示。以支腿工作 壓力Pl、速度I作為狀態(tài)變量，則系統(tǒng)狀態(tài)方程可表述為
[0036] 式中Ck--支腿剛度系數(shù)(Pa/m3);
[0037] AP 活塞有效面積(m2);
[0038] Kce--廣義流量-壓力系數(shù)(m3/(s · Pa));
[0039] Kq 流量增益(m3/(s · A));
[0040] i一一伺服閥輸入電流(mA)。
[0041 ]令：
[0045]作如下假設：當時，忽略流體系統(tǒng)內(nèi)泄引起的阻尼Κα/ΑΡ。令 I# =46，狀態(tài)方程(5-53)改寫為二階振動系統(tǒng)標準形式
[0047] 由于水環(huán)境阻尼的影響，式(4)中阻尼項仏。*無法滿足粘性比例阻尼條件Bact = a Mact+ffiac；t，因此該系統(tǒng)無法采用經(jīng)典模態(tài)解耦方法進行解耦。
[0048] 為此，本發(fā)明采用了一種新的基于相位對齊思想的模態(tài)解耦方法，可構(gòu)造出模態(tài) 解耦陣T，使狀態(tài)空間實現(xiàn)解耦：
[0050] 解耦后的系統(tǒng)狀態(tài)方塊圖如圖3所示，對于流體驅(qū)動系統(tǒng)而言，通過將壓力信號反 饋到伺服閥輸入端的方式，可實現(xiàn)系統(tǒng)阻尼比的調(diào)節(jié)。
[0051] 結(jié)合流體系統(tǒng)的變阻抗原理及非粘性比例阻尼模態(tài)解耦方法，構(gòu)造的變阻抗控制 策略如圖4所示。
[0052] 本發(fā)明所提供的變阻抗控制策略不僅適用于六自由度串并聯(lián)仿生魚，對于具有少 自由度形式的串并聯(lián)仿生魚同樣適用，以圖5所示的平面二自由度仿生擺動推進裝置為控 制對象，變阻抗控制結(jié)果如圖6所示，可以看到，在未采用阻抗控制之前，系統(tǒng)由于耦合的影 響在游動自由度上呈現(xiàn)出兩個模態(tài)諧振峰，其中，高階模態(tài)諧振為游動所需要的諧振，而低 階模態(tài)諧振為耦合產(chǎn)生，為消除這一諧振，采用本發(fā)明提供的阻抗控制策略，在模態(tài)空間中 對低階模態(tài)調(diào)節(jié)阻抗特性，抑制其諧振，最終實現(xiàn)期望的控制結(jié)果。
[0053] 實施例2
[0055]步驟1:構(gòu)造模態(tài)解耦矩陣T。具體方法為：
[0056] a:由公知的11^1:1313軟件提供的卩〇15^8函數(shù)求解二階特征值問題(1￡1。1^2+13 ￡1。1；入+ Kact) v = 0，獲得2n個特征值λ?。
[0057] λ1,2 = -0·2708±1·6819?，λ3,4 = -0·1792±1·0008?。
[0058] b:對特征值進行排序。
[0059]將特征值分為兩組:2c個復共輒特征值及2r = 2(n-c)個實特征值。其中：
[0060] 2。個復共輒特征值的排列方式為{ν.·ΛΑΗ =4..·Α+? =Λ};
[0061 ] 21'個實特征值的排列方式為{^+1〇"<\11<\11+。 +1〇"<\211}。
[0062] 排列后特征值順序為：人1 = -0.1792 + 1.00081，人2 = -0.2708 + 1.68191，人3 =-0.1792-1.0008?,λ4=-0.2708-1.6819i〇
[0063] c:特征向量歸一化。
[0064] 求解方程= ，獲得λ」所對應的歸一化特征向量Vj，j =1，2,…，n〇
[0065] νι=[0.7328-0.0949i 0.7180+0.0945i]τ,
[0066] V2=[0.7152+0.1634i -0.7118+0.1601i]T
[0067] V3=[0.7328+0.0949i -0.7180-0.0945i]T
[0068] V4=[0.7152-0.1634i -0.7118-0.1601i]T
[0072] 步驟2:進行模態(tài)坐標變換。具體方法為：
[0073] a:根據(jù)支腿壓差信號PL構(gòu)造狀態(tài)變量
：k為支腿剛度系數(shù)，AP為支腿 活塞有效作用面積。
[0075] 步驟3:施加模態(tài)空間變阻抗控制律：/ = ?；_ + 。
[0076] 其中：i為伺服閥電流輸出信號；e為支腿位移偏差信號；。為比例增益陣， 心=diag(7V ) :Kf為阻抗調(diào)節(jié)增益矩陣，A =d:iag(々,)：
[0077] (松-抱):(2-/1廣，Γ2 =(悶-以)(；1 -yi)」1。
[0078] 步驟4:調(diào)節(jié)各階模態(tài)控制器比例增益矩陣心及阻抗增益系數(shù)Kf。具體方法為：
[0079]
，其中，ξ為各階模態(tài)控制器設 定阻抗陣，l = diag(|i); i> = -(2.+2); β =..沙 '〇.
[0080]
，其中kq為伺服閥流量系數(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種流體驅(qū)動串并聯(lián)仿生魚的變阻抗控制方法，其特征在于，步驟如下： 步驟1:構(gòu)造模態(tài)解禪矩陣T (1 . 1 ):求解二階特征值問題(MactA2 + BactA+Kact ) V = 0，獲得化個特征值λι，其中，Mact， Bact，Ka。*分別為較點空間質(zhì)量陣、阻尼陣及剛度陣， (1.2) :對特征值進行排序； 將特征值分為兩組:2c個復共輛特征值及化=2(n-c)個實特征值，其中： 2c個復共輛特征值的排列方式為片，···ΛΛ,,=東…為，:。=4}:; 化個實特征值的排列方式為{Ac+1<…<λη<λη+Ε+1<…<λ2η}， (1.3) :特征向量歸一化， 求解方程：，獲得、所對應的歸一化特征向量vj，j = l， 2，...，n， d:構(gòu)造解禪矩陣，:；其中：步驟2:進行模態(tài)坐標變換，具體方法為： (2.1) :根據(jù)支腿壓差信號Pl構(gòu)造狀態(tài)變量'ck為支腿剛度系數(shù)，Ap為支腿 活塞有效作用面積， (2.2) :構(gòu)造模態(tài)空間狀態(tài)變量Pd步驟3:施加模態(tài)空間變阻抗控制替其中：i為伺服閥電流輸出信號;e為支腿位移偏差信號;Κρ為比例增益陣，iTp=diag^. Kf為阻抗調(diào)節(jié)增益矩陣，A', = ):步驟4:調(diào)節(jié)各階模態(tài)控制器比例增益矩陣Κρ及阻抗增益系數(shù)Kf，具體方法為：，其中，ξ為各階模態(tài)控制器設定阻 抗陣，C = diagKi) 乂.+苗'；i2 = FF，，其中kq為伺服閥流量系數(shù)。
【文檔編號】G05B13/04GK106094515SQ201610398696
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】田體先, 姜洪洲, 趙慧, 蔣林, 朱建陽, 付婷
【申請人】武漢科技大學