[發明專利]利用角速度反饋的模糊控制算法控制機器魚C形轉彎的方法

有效

• 申請號: 201710563874.1
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107479373B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 婁保東;倪羽潔;王平
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 祁文彥

1.利用角速度反饋的模糊控制算法控制機器魚C形轉彎的方法，其特征在于：包括：

步驟一，以現有仿生機器魚C-形轉彎的姿態曲線簇為基礎進行分析，得到C-形轉彎的過程可以分為兩個階段：收縮階段和釋放階段；在收縮階段魚體快速的向一邊彎曲，周圍流體產生一個推動魚體轉動的轉動力矩，從而使魚能夠進行快速的轉向，收縮的速度越快C-形轉彎的角度越大；在釋放階段魚體從前至后緩慢的舒展軀體，減小對流體的擾動和能量的消耗，當軀體完全伸直后完成轉彎的過程；

步驟二，以機器魚軀體的對稱中心為對象，簡化機器魚C-形轉彎物理模型，設機器魚在任意時刻尾部運動關節彎曲形成的圓弧的曲率半徑為R_c(t)，圓心坐標為(x_c,y_c)，得C-形轉彎的運動學方程如下式所示：

其中：l_h為機器魚頭部剛性段長度；m是仿生機器魚的實際轉動中心的橫坐標；a是機器魚體干上某點到鼻尖的總弧長；l為機器魚整體的體長；

步驟三，將步驟二中的C-形轉彎的運動學方程離散成隨時間變化的N個尾部運動姿態，據此方程繪制出仿生機器魚巡游時某時刻的尾部運動姿態曲線；

步驟四，假設機器魚有三個關節，步驟三中每個時刻的姿態曲線為三個剛性關節擬合而成，通過數值逼近得出各個關節C-形轉彎運動控制方程：

其中：j＝1...3；a_j為每個關節的擺動幅值；為第j個關節在轉彎時收縮階段的用時；T₁^j為第j個關節在轉彎時釋放階段的用時；

步驟五，以機器魚第三關節轉動的角度與期望轉動角度誤差e和誤差變化率Δe，作為模糊控制器的兩個輸入，機器魚第三關節的角速度控制量u作為模糊控制器的輸出，設計模糊控制器；將模糊控制器的輸入輸出論域控制在[-1,1]，通過輸入輸出的比例因子來實現變換。

2.根據權利要求1所述的利用角速度反饋的模糊控制算法控制機器魚C形轉彎的方法，所述步驟四中曲線擬合的方法采用最小誤差法，通過計算最小誤差得出各個關節運動控制方程。

3.根據權利要求1所述的利用角速度反饋的模糊控制算法控制機器魚C形轉彎的方法，其特征在于：所述步驟三中在第k個離散時刻，機器魚第三關節的轉動角度誤差和轉動角度誤差的變化率分別為e(k)和Δe(k)：

e(k)＝θ(k)-θ_ref

Δe(k)＝e(k)-e(k-1)

其中θ(k)代表第k時刻關節轉動角度，θ_ref表示機器魚關節的理想轉動角度；

關節轉動角度誤差e(k)模糊論域為[-10,10]，模糊集為{NL，NS，ZE，PS，PL}；轉動角度誤差變化率Δe(k)模糊論域為[-5,5]，模糊集為{N，Z，P}；輸出變量u(k)模糊論域為[10,50]，模糊集為{NL，NS，ZE，PS，PL}，模糊控制規則如下表1所示，模糊規則采用IF(eis...and EC is...)THEN(u is...)的語句形式進行描述：

表1

4.根據權利要求1所述的利用角速度反饋的模糊控制算法控制機器魚C形轉彎的方法，其特征在于：步驟五之后，傳統模糊算法和具有角速度速度反饋的模糊算法進行仿生機器魚C形轉彎仿真，取仿生機器魚游動角速度為0.5、1、1.5rad/s時，第三關節擺動的最大幅值分別為60、65、69，根據步驟四所述C-形轉彎運動控制方程，第三關節不同角速度下的理想轉動角度，并繪制兩種算法下角速度為0.5、1、1.5rad/s時C形轉彎彎曲階段第三關節角速度以及關節轉動角度變化曲線圖，以傳統模糊算法和改進模糊算法得到的結果分別進行C形轉彎軌跡仿真，分別得到仿生機器魚魚尾第三關節的運動軌跡，以傳統模糊算法得到的C形轉彎仿真軌跡顯示，運動中具有脫節現象。