[發(fā)明專利]仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制方法、裝置和仿生機(jī)器魚

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210376524.5
• 申請(qǐng)日: 2022-04-12
• 公開（公告）號(hào): CN114460849B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田辰;王嬌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京晟海匯澤科技有限公司
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 梁韜

本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制方法、裝置和仿生機(jī)器魚，該方法包括：根據(jù)期望的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向速度，確定仿生機(jī)器魚各個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)控制參數(shù)；將所述相關(guān)控制參數(shù)輸入至仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)控制模型中進(jìn)行參數(shù)平滑過渡預(yù)處理和角度閉環(huán)控制運(yùn)算，以得到各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；其中，所述運(yùn)動(dòng)控制模型包括基于預(yù)設(shè)振蕩器構(gòu)成的中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)，所述中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)用于執(zhí)行所述角度閉環(huán)控制運(yùn)算；根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制仿生機(jī)器魚的各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)，以使仿生機(jī)器魚執(zhí)行期望動(dòng)作。該方法可以讓運(yùn)動(dòng)控制模型中的振蕩器輸入?yún)?shù)進(jìn)行快速平滑的切換，從而兼顧網(wǎng)絡(luò)輸出的快速性與平滑性等。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及仿生機(jī)器魚技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制方法、裝置和仿生機(jī)器魚。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)桿型的水下仿生機(jī)器魚常采用中樞模式發(fā)生器（簡(jiǎn)稱CPG）算法進(jìn)行控制，此時(shí)對(duì)于機(jī)器魚的每個(gè)關(guān)節(jié)可采用霍普夫（hopf）振蕩器來模擬每個(gè)關(guān)節(jié)的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，其中，hopf振蕩器的優(yōu)點(diǎn)在于其具有穩(wěn)定的狀態(tài)輸出，并且可以以任意狀態(tài)開始輸出，不需要外部起振信號(hào)，而且最終狀態(tài)輸出都會(huì)穩(wěn)定到極限環(huán)上。根據(jù)hopf振蕩器構(gòu)成的CPG網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以使機(jī)器魚相關(guān)參數(shù)在變化的時(shí)候相對(duì)平滑的過渡，然而在實(shí)際應(yīng)用中，若當(dāng)前CPG網(wǎng)絡(luò)在參數(shù)劇烈變化的時(shí)候，尤其是幅值與頻率參數(shù)發(fā)生突變時(shí)，卻無法同時(shí)兼顧hopf振蕩器的快速收斂與平滑特性，影響了機(jī)器魚關(guān)節(jié)的壽命以及增加功耗等。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制方法、裝置和仿生機(jī)器魚，可以讓運(yùn)動(dòng)控制模型中CPG網(wǎng)絡(luò)的振蕩器輸入?yún)?shù)進(jìn)行快速平滑的切換，從而兼顧C(jī)PG網(wǎng)絡(luò)輸出的快速性與平滑性等。

第一方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制方法，所述仿生機(jī)器魚的每個(gè)關(guān)節(jié)均采用預(yù)設(shè)振蕩器進(jìn)行節(jié)律運(yùn)動(dòng)模擬，所述方法包括：

根據(jù)期望的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向速度，確定所述仿生機(jī)器魚各個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)控制參數(shù)；

將所述相關(guān)控制參數(shù)輸入至所述仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)控制模型中進(jìn)行參數(shù)平滑過渡預(yù)處理和角度閉環(huán)控制運(yùn)算，以得到所述仿生機(jī)器魚各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；其中，所述運(yùn)動(dòng)控制模型包括基于所述預(yù)設(shè)振蕩器構(gòu)成的中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)，所述中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)用于執(zhí)行所述角度閉環(huán)控制運(yùn)算；

根據(jù)所述目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制所述仿生機(jī)器魚的各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)，以使所述仿生機(jī)器魚執(zhí)行期望動(dòng)作。

在一些實(shí)施例中，所述相關(guān)控制參數(shù)包括相應(yīng)關(guān)節(jié)的擺動(dòng)幅值和擺動(dòng)頻率；所述參數(shù)平滑過渡預(yù)處理包括：

利用非線性過渡函數(shù)對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的所述擺動(dòng)頻率和所述擺動(dòng)幅值分別進(jìn)行平滑處理。

在一些實(shí)施例中，所述仿生機(jī)器魚包括三個(gè)采用神經(jīng)元鏈?zhǔn)竭B接的關(guān)節(jié)，所述相關(guān)控制參數(shù)還包括連接的兩兩關(guān)節(jié)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)預(yù)設(shè)振蕩器之間的相位耦合強(qiáng)度、以及兩兩關(guān)節(jié)之間的相位差；所述角度閉環(huán)控制運(yùn)算包括：

將經(jīng)過歸一處理后的擺動(dòng)幅值、經(jīng)過平滑處理后的擺動(dòng)頻率、所述相位耦合強(qiáng)度和所述相位差輸入到所述中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)關(guān)節(jié)的預(yù)設(shè)振蕩器中，以計(jì)算得到各個(gè)預(yù)設(shè)振蕩器的中間狀態(tài)變量；

根據(jù)所述中間狀態(tài)變量和經(jīng)過平滑處理后的所述擺動(dòng)幅值進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)預(yù)設(shè)振蕩器的狀態(tài)輸出變量；

根據(jù)各個(gè)預(yù)設(shè)振蕩器的所述狀態(tài)輸出變量確定各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

在一些實(shí)施例中，在構(gòu)建所述運(yùn)動(dòng)控制模型的過程中，還包括：

對(duì)所述預(yù)設(shè)振蕩器之間的相位耦合強(qiáng)度及關(guān)節(jié)的擺動(dòng)頻率進(jìn)行局部解耦，以對(duì)基于所述預(yù)設(shè)振蕩器構(gòu)成的中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得到改進(jìn)的中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)；所述改進(jìn)的中樞模式發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)用于執(zhí)行所述角度閉環(huán)控制運(yùn)算。

在一些實(shí)施例中，所述非線性過渡函數(shù)基于sigmoid函數(shù)構(gòu)建得到；