[發明專利]一種用于雙關節機器魚的復合避障方法和裝置

在審

• 申請號: 202110245581.5
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN113009923A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 張川;文小玲;喻盈;黃晨華
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06;B63C11/52
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發明提供了一種用于雙關節機器魚的復合避障方法和裝置，根據機器魚的機械結構，針對雙關節機器魚建立游動轉向模型和上浮下潛模型，采用機器魚的三維運動和機器魚頭部的5個紅外測距傳感器組成的網絡信息為輸入信號，對速度和轉向角度采用模糊控制，對上浮下潛使用自定義控制規則實現避障，經過綜合構成復合避障方法，實現了雙關節機器魚在未知環境中的三維避障功能，解決了上浮下潛時速度和轉向避障時速度的矛盾，實現了對機器魚的轉角、速度、上浮下潛距離的精確控制，使機器魚在三維空間內靈活運動；具有模糊控制魯棒性、適應性好、規則控制簡單直接等的優點。本發明提出的雙關節機器魚的運動模型也適用于多關節機器魚，便于推廣應用。

技術領域

本發明屬于機器人避障技術領域，具體涉及一種用于雙關節機器魚的復合避障方法和裝置。

背景技術

隨著科技的進步和經濟的發展，小型機器人的應用越來越廣泛，例如搜救、清淤、水質監測等等，在這些應用環境中，機器人面臨的環境都是未知且復雜的，因此如何安全高效地避開障礙物是機器人能夠完成任務的前提。

水下機器魚因其靈活便攜的特點，在水下探測和水質檢測領域具有廣闊的應用前景。然而，水下環境是十分復雜且多變的，機器魚要完成任務首先就要保證自身的安全，即高效合理地避障。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供一種用于雙關節機器魚的復合避障方法和裝置，用于使機器人在未知環境中避障。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種用于雙關節機器魚的復合避障方法，包括以下步驟：

S0：搭建用于雙關節機器魚的復合避障裝置，包括擺動單元、浮潛單元、控制單元、傳感器網絡；控制單元的信號接收端連接傳感器網絡的信號發送端，控制單元的信號發送端分別連接擺動單元和浮潛單元的信號接收端；

擺動單元包括連接桿、第一關節舵機、第二關節舵機和魚尾，第一關節舵機、第二關節舵機和魚尾通過連接桿依次連接；

浮潛單元包括依次連接的抽水水泵、水箱和排水水泵；抽水水泵通過抽水水泵進水口連接水源，抽水水泵通過抽水水泵出水口連接水箱的水箱進水口；水箱通過排氣口放氣調節水箱內外氣壓平衡；排水水泵通過排水水泵進水口連接水箱的水箱排水口，排水水泵通過排水水泵出水口排水；

控制單元包括MCU、PWM調節模塊、速度系數模糊控制器、轉向角度模糊控制器和上浮下潛控制器；

傳感器網絡包括正前方測距傳感器F_IRS、左側測距傳感器L_IRS、右側測距傳感器R_IRS、上側測距傳感器T_IRS和下側測距傳感器B_IRS，分別位于雙關節機器魚魚頭位置的正前方、左側、右側、上側和下側，且上側測距傳感器T_IRS和下側測距傳感器B_IRS向前傾斜一定的角度，左側測距傳感器L_IRS和右側測距傳感器R_IRS向內傾斜一定的角度；

S1：傳感器網絡采集雙關節機器魚與環境障礙物的距離信息并分別發送給速度系數模糊控制器、轉向角度模糊控制器和上浮下潛控制器；

S2：根據雙關節機器魚的關節擺動角度模型在速度系數模糊控制器和轉向角度模糊控制器中建立模糊規則庫，并根據模糊規則庫分別輸出速度系數V和轉向角度α；

S3：在上浮下潛控制器中建立上浮下潛規則庫，并根據上浮下潛規則庫輸出上浮距離或下潛距離；

S4：MCU接收步驟S2得到的速度系數V和轉向角度α、步驟S3得到的上浮距離或下潛距離，并通過PWM調節模塊將控制信號分別發送給擺動單元和浮潛單元執行避障動作。

按上述方案，所述的步驟S2中，建立關節擺動角度模型的具體步驟為：