[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 201710563874.1
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107479373B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發(fā)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(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 祁文彥

本發(fā)明公開了一種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，在傳統(tǒng)C形控制算法上進行改進，采用了具有角速度反饋的模糊控制算法，優(yōu)化了機器魚的C形轉彎。與傳統(tǒng)算法相比，將游動時的角速度作為模糊邏輯控制器的反饋，能夠使機器魚在C形轉彎過程中速度變化更加平穩(wěn)，通過控制器實時調(diào)整關節(jié)轉彎角度，使得轉彎姿態(tài)更加流暢，并減小速度慣性對機器魚關節(jié)轉彎角度的影響。最后結合實驗驗證該算法的可行性及實用性。

技術領域

本發(fā)明涉及機器魚技術領域，特別是一種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。

背景技術

現(xiàn)有控制機器魚C-形轉彎運動的方法是通過觀察真實魚類的C形轉彎曲線，采用曲線擬合法得到了機器魚C形轉彎的運動方程，利用C形轉彎運動方程控制機器魚進行轉彎的常用算法是模糊控制算法，該算法對機器魚的模型精確度要求度低，但在傳統(tǒng)的C形轉彎控制中，雖然也用了模糊控制器進行控制，但是沒考慮到機器魚C形轉彎中的游動角速度對關節(jié)轉動角度的影響，會導致C形轉彎時姿態(tài)不流暢，且速度過快產(chǎn)生的慣性會增加轉彎阻力，減小轉彎角度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種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。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

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，包括：

步驟一，以現(xiàn)有仿生機器魚C-形轉彎的姿態(tài)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(chǎn)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(jié)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；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(tài)，據(jù)此方程繪制出仿生機器魚巡游時某時刻的尾部運動姿態(tài)曲線；

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

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

步驟五，以機器魚第三關節(jié)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(jié)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(xiàn)變換。

本發(fā)明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(jié)運動控制方程。

最小誤差方程為：

其中：R_p為一個假設的長度比例相關系數(shù)，R_p∈[0,1]，它表示剛性關節(jié)與仿生機器魚尾部運動方程曲線的交點到起點之間的關節(jié)長度占總長度的比例，