[發明專利]仿生魚路徑控制方法、裝置及仿生魚

有效

• 申請號: 202210442624.3
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114545953B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 吳正興;王健;李思捷;閆帥錚;譚民
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 周淑娟

1.一種仿生魚路徑控制方法，其特征在于，包括：

基于仿生魚的機械結構參數、運動參數以及受力參數，確定所述仿生魚的動力學模型；

基于所述動力學模型，以及目標位置，確定二維方向上的控制律和三維方向上的控制律；

基于所述二維方向上的控制律確定所述仿生魚的尾鰭偏置角度，以及基于所述三維方向上的控制律確定所述仿生魚的螺旋槳轉動速度；

基于所述尾鰭偏置角度以及所述螺旋槳轉動速度，控制所述仿生魚移動至所述目標位置；

所述動力學模型為：

式中，表示x方向上的速度， 表示z方向上的速度，表示尾鰭關節角度，表示z方向上的角速度，與仿生魚的機械結構設計有關，為常數項，，和表示環境的干擾或者螺旋槳對平面游動的干擾，，和為常數，表示尾鰭擺動頻率，表示尾鰭擺動幅度，表示尾鰭偏置角度，表示螺旋槳轉動速度；

所述二維方向上的控制律為：

式中，表示航向誤差，表示目標位置的航向，表示當前位置的航向，；

所述三維方向上的控制律為：

式中，表示深度誤差，并且，和均是大于0的可調參數。

2.根據權利要求1所述的仿生魚路徑控制方法，其特征在于，所述基于仿生魚的機械結構參數、運動參數以及受力參數，確定所述仿生魚的動力學模型，包括：

基于所述機械結構參數、所述運動參數以及所述受力參數，確定所述仿生魚的初始動力學模型；

在所述仿生魚的初始動力學模型中，將平行于尾鰭方向的力、螺旋槳推進力、螺旋槳力矩、所述仿生魚的俯仰角以及所述仿生魚的橫滾角置為0，得到所述仿生魚的動力學模型。

3.根據權利要求2所述的仿生魚路徑控制方法，其特征在于，所述在所述仿生魚的初始動力學模型中，將平行于尾鰭方向的力、螺旋槳推進力、螺旋槳力矩、所述仿生魚的俯仰角以及所述仿生魚的橫滾角置為0，得到所述仿生魚的動力學模型，包括：

在所述仿生魚的初始動力學模型中，將平行于尾鰭方向的力、螺旋槳推進力、螺旋槳力矩、所述仿生魚的俯仰角以及所述仿生魚的橫滾角置為0，得到簡化動力學模型；

在所述簡化動力學模型中，將所述仿生魚的側滑角置為0，得到所述動力學模型。

4.根據權利要求2所述的仿生魚路徑控制方法，其特征在于，所述運動參數包括線速度和角速度，所述受力參數包括合外力以及合外力矩；

所述基于所述機械結構參數、所述運動參數以及所述受力參數，確定所述仿生魚的初始動力學模型，包括：

基于所述合外力，以及所述合外力矩，確定所述仿生魚的受力矩陣；

基于所述線速度，以及所述角速度，確定所述仿生魚的速度矩陣；

基于所述仿生魚的質量、所述仿生魚的浮心指向質心的向量以及所述仿生魚的慣性張量，確定所述仿生魚的角加速度矩陣；

基于所述線速度、所述仿生魚的質量、所述仿生魚的浮心指向質心的向量以及所述仿生魚的慣性張量，確定所述仿生魚的科氏加速度矩陣；

基于所述受力矩陣、所述速度矩陣、所述角加速度矩陣以及所述科氏加速度矩陣，確定所述初始動力學模型。

5.根據權利要求2所述的仿生魚路徑控制方法，其特征在于，所述螺旋槳推進力基于如下公式確定：

；

所述螺旋槳力矩基于如下公式確定：

；

式中，表示所述螺旋槳推進力，表示螺旋槳推進力系數，表示所述仿生魚的周圍流體密度，表示螺旋槳轉動速度，表示所述螺旋槳力矩，表示螺旋槳力矩系數。

6.根據權利要求1至5任一項所述的仿生魚路徑控制方法，其特征在于，所述基于所述動力學模型，以及目標位置，確定二維方向上的控制律和三維方向上的控制律，包括：

基于所述目標位置，以及所述仿生魚的當前位置，確定航向誤差以及深度誤差；

基于所述動力學模型，以及所述航向誤差，確定所述二維方向上的控制律；

基于所述動力學模型，以及所述深度誤差，確定所述三維方向上的控制律。