一種胸鰭拍動式機器魚快速大俯仰角變化運動的實現方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種胸鰭拍動式機器魚快速大俯仰角變化運動的實現方法，包括以下幾個步驟：步驟1、建立快速俯仰運動學模型；步驟2、建立具有時間、空間非對稱特征的相位振蕩器模型；步驟3.建立CPG控制網絡結構；步驟4、建立快速俯仰運動控制系統(tǒng)。本發(fā)明采用多驅動的胸鰭與尾部協調運動，通過空間、時間非對稱運動特性，致使機器魚能夠產生的俯仰力矩遠大于通過魚鰾或單一尾鰭偏轉所產生的力矩，因此本發(fā)明能夠實現胸鰭拍動式機器魚快速俯仰(俯仰角變化大于60°)運動，大大提升機器魚面對水下垂直壁面型障礙物的越障、避障能力。
【專利說明】一種胸鰭拍動式機器魚快速大俯仰角變化運動的實現方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于仿生學【技術領域】，具體涉及一種胸鰭拍動式機器魚快速大俯仰角變化 運動的實現方法。

【背景技術】
[0002] 胸鰭拍動式魚類，如魔鬼魚Manta、牛鼻鲼和鷹嘴鷂等，通過拍動胸鰭使波動變形 沿胸鰭弦向傳遞（胸鰭上傳遞波長小于1)，產生推進力和升力，通過尾鰭微調俯仰運動。胸 鰭拍動式機器魚具備良好的機動性、穩(wěn)定性、推進效率。其高機動性由胸鰭和尾部（軀干后 三分之一部分和尾鰭部分）的主動變形協調控制，實現快速俯仰、小半徑轉彎、滑翔、翻滾 等姿態(tài)。胸鰭拍動式機器魚具備的快速俯仰、零半徑徑轉彎等高機動能力具有重要意義，為 實現復雜地形下的海洋探測、軍事偵察提供實際應用可能。
[0003] 現有的胸鰭拍動式機器魚主要采用兩種方式實現俯仰運動。第一種方式為利用魚 鰾原理實現俯仰運動，通過改變機器魚自身浮力、浮心位置實現升潛運動，通常這種方式由 于可以改變的排水量范圍有限、俯仰力矩的力臂變化有限，從而無法短時間內產生足夠的 俯仰姿態(tài)變化或機器魚深度變化；并且需要控制俯仰運動的魚鰾裝置，增加機械結構復雜 度。第二種方式為利用后部尾鰭，在具備較大游動速度情況下，通過改變尾鰭俯仰角度被動 產生俯仰力矩，其原理在于通過尾鰭偏轉改變流體速度方向，從而獲得相互作用力，跟噴氣 式飛機尾翼原理類似；這種方式在高游動速度下比較有效，在低游動速度下基本失效，且短 時間內無法形成大俯仰角變化。為使胸鰭拍動式機器魚面對陡峭型障礙物時，具備較強的 越障能力，發(fā)明一種不受游動速度限制的快速大俯仰角變化運動的實現方法尤為重要。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)胸鰭拍動式機器魚依靠魚鰾原理或尾鰭無法實現快速且 超過60°的大俯仰姿態(tài)變化的問題，提出一種生物中樞模式發(fā)生器Central Pattern Generator (簡稱CPG)控制方法，協調控制多驅動胸鰭與尾部實現胸鰭拍動式機器魚快速 大俯仰角變化的運動（簡稱快速俯仰運動）。
[0005] 本發(fā)明的一種胸鰭拍動式機器魚快速大俯仰角變化運動的實現方法，包括以下幾 個步驟：
[0006] 步驟1、建立快速俯仰運動學模型；
[0007] 步驟2、建立具有時間、空間非對稱特征的相位振蕩器模型；
[0008] 步驟3.建立CPG控制網絡結構；
[0009] 步驟4、建立快速俯仰運動控制系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0011] (1)采用多驅動的胸鰭與尾部協調運動，通過空間、時間非對稱運動特性，致使機 器魚能夠產生的俯仰力矩遠大于通過魚鰾或單一尾鰭偏轉所產生的力矩，因此本發(fā)明能夠 實現胸鰭拍動式機器魚快速俯仰（俯仰角變化大于60° )運動，大大提升機器魚面對水下 垂直壁面型障礙物的越障、避障能力。
[0012] (2)通過CPG控制方法可以進行復雜的多驅動系統(tǒng)參數簡化，并通過CPG網絡結構 和單元間的耦合關系形成各種特定的工作模式，并且能夠實現各模式間的順滑切換；本發(fā) 明采用CPG控制方法將快速俯仰運動簡化為一種運動模式，協調控制多驅動胸鰭與尾部， 實現快速俯仰運動模型中胸鰭與尾部的時間、空間非對稱拍動特性及其相互間的運動關 系，并且降低了控制參數的維數，最終通過控制周期、振幅、時間非對稱系數、空間非對稱系 數實現胸鰭拍動式機器魚的快速俯仰運動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的牛鼻鲼快速爬升姿態(tài)示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明的牛鼻鲼快速爬升姿態(tài)數據分析示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明的CPG控制網絡結構示意圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明的快速俯仰運動控制系統(tǒng)示意圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0018] 本發(fā)明主要保護的技術方案：
[0019] (1)提出胸鰭拍動式魚類胸鰭與尾部聯合拍動實現快速俯仰的運動學模型，包括 胸鰭拍動過程中空間非對稱性特征（以魚類軀干平面為參考平面，軀干平面上側的胸鰭拍 動幅度與下側的拍動幅度不相等）、時間非對稱性特征（胸鰭向下拍動行程的時間與向上 拍動行程的時間不相等），尾部拍動的空間、時間非對稱性特征，以及胸鰭與尾部的運動關 系。
[0020] (2)提出基于相位振蕩器模型的CPG控制方法，在胸鰭拍動式機器魚上實現快速 俯仰運動，包括構建特殊結構形式的CPG網絡，確定CPG單元間的耦合關系，提出空間、時間 非對稱性特征的實現方式。
[0021] (4)具備時間、空間非對稱特征的CPG相位振蕩器模型：
[0022]

【權利要求】
1.本發(fā)明的一種胸鰭拍動式機器魚快速大俯仰角變化運動的實現方法，包括以下幾個 步驟： 步驟1、建立快速俯仰運動學模型 通過采集胸鰭拍動式魚類牛鼻鲼快速爬升姿態(tài)過程的視頻信息，選取牛鼻鲼胸鰭和尾 部邊緣數據點，生成邊緣數據點的位置信息，定義相對坐標系OXYZ，坐標原點0為頭部右側 邊緣線與右側胸鰭邊緣線的交點；X軸沿胸鰭展向方向，即軀干寬度方向；Y軸沿胸鰭弦向 方向，即軀干長度方向；Z軸方向由右手定則確定，垂直于魚體軀干平面；從數據點中選取 典型特征點胸鰭前緣中點P:、胸鰭前后緣交叉點P2、胸鰭后緣中點己、尾鰭頂端點T7，得到這 四個點的坐標隨時間的變化關系，其中Z軸坐標以點己拍動的最大振幅maxA為單位，下 標a、b、c分別對應各點運動周期中的起始點、中間點、終止點；
其中Si、A'pApVpt、分別表示第i個邊緣點對應的Z向位移、振幅偏置、振幅、頻 率、時間、初始相位；viJip、Vi_d_表示向上拍動頻率、向下拍動頻率;AiJiax、AiJlin表示振幅最 大值即正振幅、最小值即；A表示第j邊緣點與第i個邊緣點之間的初始相位差； 魚體快速爬升運動學模型參數具體如下，胸鰭上拍的時間為下拍的〇. 8/0. 43倍，上拍 的頻率v2up是下拍頻率v2d_的0. 43/0. 8倍，約為0. 5倍；尾部上拍頻率v7 up為下拍頻率 v7d_的0. 27/0. 53倍，約為2倍；尾部T7在胸鰭Pi點開始下拍時刻從Z坐標0處開始上 拍，在Pi下拍到最大值時刻達到最大振幅值，即T7與Pi之間相位差A(}> 17(|約180° ;胸鰭 正振幅A2 _為負振幅A2 _的0. 54/1倍，尾部正振幅A7 _為0. 29maxA，負振幅A7>約 為0 ;胸鰭邊緣點Pi、P2、P3之間的相位差A(}>ijQ約為30°至45° ; 步驟2、建立具有時間、空間非對稱特征的相位振蕩器模型 建立振蕩器模型如下：

其中參數i表示CPG單元序號，取值為1?7, 0i分別表示相位、振幅、偏置 和輸出，公式（5)、（6)、（7)、（8)分別為相位方程、振幅方程、偏置方程和輸出方程；相位方 程主要控制各連接單元間的相位關系，其中，vpzl奶7分別表示頻率、i單元與j單元 間的連接權重、期望相位差，當連接權重值越大時，表示j單元對i單元的相位影響越顯著； 振幅方程中，氏表示期望振幅，ai為正值常數，當ai值越大時，ri趨近于R1速度越快，光滑度 降低；偏置方程與振幅方程具有一樣的數學表達形式，\為期望偏置，b,為正值常數，主要 用于控制機器魚的空間非對稱拍動；輸出方程中0 ^乍為單個運動關節(jié)舵機的角度輸入； CPG振蕩器的極限環(huán)如公式（9)所示，為初始相位，此時相位與期望相位差存在如 公式（10)所示的關系，由此關系推出CPG網絡結構中任意兩個單元間的連接關系；由于相 位振蕩器模型具有振幅獨立控制的特性，因此單元間的相互連接關系表現為相位關系，如 CPG單元2與5的關系如公式（11)所示； 公示（12)為空間非對稱表述方程，其中ai為空間非對稱系數，表示驅動單元輸出最 大值與整個下拍或上拍行程的比值；當a,為1/2時，表示空間對稱拍動；當a,為2/3時， 向振幅是負向振幅的2倍；當a1/3時，0 向振幅是正向振幅的2倍； 公示（13)為時間非對稱表述方程，以CPG單元1的輸出斜率4作為判斷胸鰭上拍、下 拍的依據4為正時，表示胸鰭上拍，頻率Vi為上拍頻率viup; 4:為負時，表示胸鰭下拍， 頻率Vi為下拍頻率vid_; 公示（14)、（15)引入時間非對稱系數0p表示上拍行程所用時間與整個上下拍運動周 期的比值，取值為（〇, 1)，凡為拍動周期；iS〇.5時，表示時間對稱拍動；iS2/3時，表 示上拍時間是下拍時間的2倍，即上拍頻率是下拍頻率的1/2倍；0 1/3時，表示上拍時 間是下拍時間的1/2倍，即上拍頻率是下拍頻率的2倍； 公示（16)為頻率連續(xù)性過渡方程，通過指數函數避免頻率^^與vid_之間切換時 的跳躍，使之連續(xù)光滑，k為常數，用于控制頻率過渡的快慢程度； 公示（17)為CPG振蕩器模型的最終表述形式，包含頻率方程、相位方程、振幅方程、偏 置方程和輸出方程，實現胸鰭拍動式機器魚8個驅動舵機輸出角度的振幅、頻率、相位差、 空間非對稱特征和時間非對稱特征的可控性； 步驟3.建立CPG控制網絡結構 根據機器魚8個運動關節(jié)間的相互關系特性，確定最簡化CPG網絡結構，包括7個CPG單元，單元1、2、3為右側胸鰭控制單元、單元4、5、6為左側胸鰭控制單元、單元7為尾部控 制單元；以單元1作為主控單元，負責右側胸鰭單元間的通信，并與左側胸鰭、尾部通信；單 元4作為左側胸鰭的主控單元； CPG網絡結構參數：
CPG網絡結構連接權重矩陣如公式（18)所示，網絡權重值設為2,將《91單獨設為4， 相位差矩陣如公式（19)所示，設定如下：單側胸鰭CPG單元間的相位差約為30°，即單元 1比2相位超前30°，單元2比3相位超前30° ;左右側胸鰭CPG單元1和4同步拍動；單 元7相位滯后單元1相位為180°，即尾部運動與胸鰭運動反向； 所有CPG單元周期設定為同一值TG[1.25, 2. 5]，即頻率為0.4至0.8Hz范圍內；所 有CPG單元幅度設定如公式（21)所示；參數T和R決定俯仰運動的速度； CPG單元1?6的時間非對稱系數設定為0，單元7為1- 0，保證胸鰭上拍頻率與尾部 下拍頻率相等，胸鰭下拍頻率與尾部上拍頻率相等； CPG單元1?6的空間非對稱系數設定為a，單元7的空間非對稱系數由快速俯仰運 動學數據歸納總結為2-3a; 胸鰭拍動式機器魚快速大俯仰角變化運動的方向、加速度主要由時間非對稱系數0、 空間非對稱系數a決定；當0大于0. 5且a小于0. 5時，實現快速爬升運動；當0小于 0. 5且a大于〇. 5時，實現快速下沉運動； 步驟4、建立快速俯仰運動控制系統(tǒng) 高級控制中心根據陀螺儀、加速度計、深度計、紅外傳感器反饋的信息決策出期望俯仰 角；模糊控制器根據期望俯仰角與從陀螺儀反饋回的實際俯仰角信息，生成CPG控制參數 T、R、0、a;這些參數經過CPG網絡的迭代計算，生成機器魚各運動組件舵機的脈沖信號， 從而實現機器魚快速俯仰運動的控制。
【文檔編號】B63H1/36GK104477357SQ201410800422
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權日:2014年12月18日
【發(fā)明者】畢樹生, 曹勇, 蔡月日, 馬宏偉 申請人:北京航空航天大學