[發(fā)明專利]一種快速、精確的仿生機器魚C形起動的運動控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110390702.1
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102411307A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設計）人: 喻俊志;蘇宗帥;吳正興;譚民
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發(fā)明涉及仿生學領域，尤其是一種快速、精確的仿生機器魚C形起動的控制方法。

背景技術

在長期的進化過程中，魚類形成巡游和快速起動兩種基本的運動方式。其中，快速起動是指魚類從靜止或者巡游狀態(tài)突然加速或改變游動方向的一種運動方式。C形起動屬于快速起動方式，主要用于逃避敵害。該方式具有很強的轉(zhuǎn)向機動性，可以在不減速的情況下迅速改變方向。仿生機器魚的研究具有重要的研究價值和應用前景，特別是在復雜環(huán)境中的水下作業(yè)、軍事偵察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景廣闊。仿生機器魚C形起動方式的研究對于研究魚類的游動機理，研究和發(fā)展水面及水下仿生機器等具有重要的作用。因此，近年來受到越來越多的重視。

上世紀70年代，Weihs最早通過研究給出金魚C形起動的動力學分析。此后，Jing等人記錄了鯽魚和鯰魚的C形起動的整個過程，得出在C形起動過程中尾鰭具有關鍵性作用的結(jié)論。Wohl和Schuster的研究表明魚類的C形起動是非常精準的，且直線速度最大可達每秒20個身長，轉(zhuǎn)向速度的峰值可達4500°/s。

目前，國內(nèi)外許多機器人領域的專家與學者分別設計、制造仿生機器魚來模仿魚類運動，研究魚類的游動機制。Liu和Hu設計制造的四關節(jié)機器魚，模仿魚類C形起動方式，可以達到最大旋轉(zhuǎn)角度為120°/s。Yu設計的多關節(jié)機器魚，通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)控制參數(shù)和特征，同樣獲得了120°/s的最大旋轉(zhuǎn)角度。但是，兩人在機器魚C形起動的伸展階段，均采用了減小關節(jié)轉(zhuǎn)動速度的方法，以減小對關節(jié)角的影響。這樣，會延長伸展階段的時間，從而減慢C形起動速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是設計一種快速、精確的仿生機器魚C形起動的運動控制方法，使仿生機器魚快速、精確的C形起動。

根據(jù)BCF(body?and/or?caudal?fin，魚體尾鰭推進式)魚類C形起動分為彎曲階段、保持階段和伸展階段三個階段，本發(fā)明針對每一階段提出相應的理論方法。在彎曲階段，根據(jù)不同魚類的游動機理，提出了小尾鰭模型和大尾鰭模型；在保持階段，提出動態(tài)軌跡跟蹤算法；在伸展階段，提出機器魚C形轉(zhuǎn)向過渡到前向游動的算法。針對機器魚的游動控制，本發(fā)明設計出相應的閉環(huán)控制方法來優(yōu)化機器魚C形起動時三個階段的過渡，減小機器魚轉(zhuǎn)向時水流對魚體產(chǎn)生的反沖力，控制魚體轉(zhuǎn)動關節(jié)的關節(jié)轉(zhuǎn)角，以獲得相對精確的起動。本發(fā)明將為尾鰭驅(qū)動的多關節(jié)仿生機器魚的理論設計提供參考，實現(xiàn)靈活、機動的游動控制。

附圖說明

圖1是仿生機器魚的系統(tǒng)坐標系示意圖。

圖2是仿生機器魚小尾鰭模型和大尾鰭模型的示意圖。

圖3是仿生機器魚保持階段關節(jié)轉(zhuǎn)角示意圖。

圖4是仿生機器魚伸展階段示意圖。

圖5是仿生機器魚高層次控制方法示意圖。

圖6是仿生機器魚低層次閉環(huán)控制結(jié)構圖。

圖7是仿生機器魚C形起動180°轉(zhuǎn)向?qū)嶒炓曨l截圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

圖1是仿生機器魚的系統(tǒng)坐標系示意圖，如圖1所示，J₀表示機器魚魚喙，J_i(i＝1，2，...，n)表示機器魚的n個關節(jié)，J_n+1表示機器魚的尾鰭節(jié)點，L_i(i＝0，1，...，n)表示機器魚的n+1個體段，其中L₀表示機器魚的頭部，L_n表示機器魚的尾鰭。本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)坐標系的原點建立在關節(jié)J₁處，x軸方向始終為魚頭的反方向，y軸方向與x軸方向垂直。

本發(fā)明所提出的快速、精確的仿生機器魚C形起動的運動控制方法，具體為對于仿生機器魚C形起動的三個階段即彎曲階段、保持階段和伸展階段，分別進行控制的方法，所述控制方法具體包括以下步驟：

步驟1，在仿生機器魚C形起動的彎曲階段，對于具有較小尾鰭的魚類，建立小尾鰭模型，對于具有較大尾鰭的魚類，建立大尾鰭模型。

在仿生機器魚C形起動的彎曲階段，仿生機器魚由直線形態(tài)變成曲線形態(tài)，彎曲階段的目的是使機器魚魚體迅速轉(zhuǎn)向目標方向。在該階段，影響魚體彎曲的因素主要包括魚的游動速度和水流對魚體的作用力。而水流的作用力與魚體的作用面積密切相關，不同魚類具有不同的作用面積，因此，根據(jù)不同魚類的形體特征和游動機理，本發(fā)明在該階段設計出小尾鰭模型和大尾鰭模型。