專利名稱：一種仿鲹科機器魚倒游運動的控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于仿生學領域，尤其是一種基于中樞模式發(fā)生器(Central PatternGenerator, CPG)的仿鰺科機器魚倒游運動的控制方法。
背景技術：
在長期的自然選擇中，魚類進化出非凡的游動能力。魚類的游動不僅推進效率高、機動性好，而且環(huán)境適應能力強、隱蔽性好。這些優(yōu)點是當前水下機器人所無法比擬的，因此，吸引了大量學者研究魚類的游動機理，希望改善水下潛器的能力，提高效率及機動性，增強穩(wěn)定性。目前，國內外研究人員已成功研制出眾多仿生機器魚樣機，實現(xiàn)了直游、轉向、上浮、下潛等動作。但是，針對機器魚倒游的研究較少。在自然界中，魚類依靠胸鰭的波動，能夠實現(xiàn)身體緩慢后退，而鰻魚及細長體魚類可以改變魚體波的傳播方向實現(xiàn)倒游。瑞士洛桑理工大學(EPFL)研制的機器魚BoxyBot在身體停振的條件下，通過胸鰭旋轉180度、·后向拍動來實現(xiàn)倒游。此類倒游方式對胸鰭的依賴性強，對機器魚樣機設計要求高。通常，CPG是指一類存在于無脊椎動物和脊椎動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元電路。CPG通過神經(jīng)元之間的相互抑制，實現(xiàn)自激振蕩，產生穩(wěn)定的節(jié)律信號。因此，CPG能夠在無節(jié)律控制或者反饋輸入的情況下，控制生物體的節(jié)律行為，例如游泳、呼吸、行走或者飛行等。由于CPG能夠產生穩(wěn)定的節(jié)律信號、魯棒性強、實時性好以及易于調節(jié)信號幅值、頻率等參量，因此，被廣泛應用于機器人的運動控制中。中國科學院自動化研究所采用CPG控制模型實現(xiàn)了機器魚的直游、轉向、潛浮等。鑒于CPG控制方法在產生穩(wěn)定游動運動方面的優(yōu)勢，本發(fā)明將其成功應用于機器魚的倒游控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種仿鰺科機器魚倒游運動的控制方法，實現(xiàn)機器魚的倒游運動。該方法基于CPG產生機器魚舵機的控制信號，控制魚體的波動。通過調整CPG的參數(shù)，實現(xiàn)控制信號滿足魚頭至魚尾方向上，相位依次滯后，幅值依次減小。通過魚體波動，產生后向推進力，實現(xiàn)仿生機器魚的倒游運動。本發(fā)明所提出的一種仿鰺科機器魚倒游運動的控制方法，其特征在于，該方法通過離散化中樞模式發(fā)生器(CPG)模型來產生仿鰺科機器魚魚體及尾部相應的驅動舵機的控制信號，以使機器魚魚體從魚頭至魚尾的方向上，魚體及尾部驅動舵機控制信號的相位依次滯后，幅值依次減小，從而產生后向推進力，使機器魚倒游；所述離散化CPG模型為
權利要求
1.一種仿鰺科機器魚倒游運動的控制方法，其特征在于，該方法通過離散化中樞模式發(fā)生器(CPG)模型來產生仿鰭科機器魚魚體及尾部相應的驅動舵機的控制信號，以使機器魚魚體從魚頭至魚尾的方向上，魚體及尾部驅動舵機控制信號的相位依次滯后，幅值依次減小，從而產生后向推進力，使機器魚倒游； 所述離散化CPG模型為
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述機器魚魚體及尾部驅動舵機之間的耦合關系為鏈式耦合關系。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述機器魚魚體及尾部的每個驅動舵機僅與其相鄰的驅動舵機具有耦合關系。
4.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述魚類的游動滿足波動方程 ybody (x, t) = (c^+^x2) sin (kx+ w t), 式中，ybMly表示魚體的橫向位移表示魚體的縱向位移4表示時間；k表示波長倍數(shù)；C1, C2表示魚體波包絡線常數(shù)；W表示魚體波的頻率。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述振蕩神經(jīng)元間的耦合系數(shù)a”a2，bi，b2取值為零。
6.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述固有幅值mi為所述輸出信號Zi(k)的幅值。
7.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，用于對仿鰺科機器魚倒游運動進行控制的控制系統(tǒng)包括ATmegal28核心控制板、無線通信模塊WP300、機器魚的4個驅動舵機、機器魚的兩側胸鰭、以及電源模塊。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，在機器魚的游動過程中，所述機器魚的兩側胸鰭保持水平靜止，僅起平衡作用，不提供任何推力。
9.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述ATmegal28核心控制板根據(jù)離散CPG模型實時在線地產生機器魚魚體及尾部驅動舵機的控制信號；所述電源模塊用于為機器魚的核心控制板及驅動舵機供電。
10.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，機器魚通過所述無線通信模塊WP300與上位機進行通信，以通過改變所述離散化CPG模型中的參數(shù)Coi，來改變機器魚的倒游速度。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿鲹科機器魚倒游運動的控制方法。該方法基于中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generator，CPG)控制機器魚的游動。首先根據(jù)魚類游動的特征，構建CPG鏈式網(wǎng)絡拓撲結構，以減少CPG參數(shù)數(shù)量，降低模型復雜度。然后通過合理調整CPG模型的參數(shù)，使得CPG模型的輸出信號滿足在機器魚魚頭至魚尾的方向上，機器魚舵機的控制信號的相位依次滯后，幅值依次減小，從而產生后向推進力，實現(xiàn)機器魚的倒游。本發(fā)明對深入理解魚類的倒游運動機理具有促進作用，同時為豐富水下機器人的運動模態(tài)、提高其機動能力提供指導。
文檔編號B63H1/36GK102745320SQ20121026260
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月26日 優(yōu)先權日2012年7月26日
發(fā)明者吳正興, 喻俊志, 譚民 申請人:中國科學院自動化研究所