[发明专利]仿生机器鱼无半径转弯的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及仿生机器鱼运动控制方法。

背景技术

水下推进器在海洋生物观察、海底探险、海洋救捞、检测油罐漏油、管道检测、以及军事方面的应用日益增加。传统的螺旋桨在水中游动时，在它的侧面会产生涡流，降低物体的运动速度，增加动力的消耗，且有噪声。与水下推进器相比，鱼有惊人的游动能力。观察发现，鱼的游动具有无噪声，高推进效率，机动性强等优点，因此仿鱼推进器的研究成为一个重要的研究课题。

20世纪90年代以来，出现了模仿鱼运动的仿生机器鱼。从1994年美国麻省工学院成功研制的世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼到2005年英国Essex大学研制的世界第一条具有自主控制能力的机器鱼，机器鱼已经具备有阻力小的外形、实现小半径转弯，自主蔽障等特点，因此，以鱼的推进模式运动的机器鱼被认为是未来水下运载器的设计目标，日益引起各国的重视，以美国、日本和英国为代表的许多国家积极开展对机器鱼的研究，使得机器鱼飞速发展。但是机器鱼要达到实用还存在一些问题：目前还没有柔软而有力的驱动器，要实现s-形转弯，快速启动，快速制动，在下潜过程中快速稳定的悬浮在水中，加之不知鱼是怎样控制涡流推进，不能预测给定一个命令，机器鱼将会做出什么样动作等等，并且在控制机器鱼进行转弯运动时存在转弯半径，机器鱼的转弯半径是影响其机动性的重要因素，有半径转弯的机器鱼改变方向的同时客观的改变了位置，不能单独改变方向。很难在水下探测或水下考古中实现原位旋转观察。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中，控制机器鱼转弯时存在转弯半径，很难在水下实现原位旋转的上述缺陷，提出一种控制仿生机器鱼实现无半径转弯，在水下实现原位旋转的方法。

本发明实现仿生机器鱼的无半径转弯控制方法所采用的技术方案是，以机器鱼质心点为原点，通过水的反作用力形成力偶，实现仿生机器鱼以质心为原点的无半径转弯。具体包括如下步骤，确定机器鱼质心点，建立机器鱼的运动学模型；将机器鱼关节化，根据运动学模型计算出每个关节每时刻的旋转角度；在存储器中建立鱼尾关节与旋转角度的关系列表；控制电路通过神经网络发出控制信号，通过修改神经元控制器的加权系数，使加权系数的修正沿着旋转角度误差的平方的减小方向，从而实现自适应的最优控制，驱动机器鱼从鱼尾关节开始摆动，通过水的推力F形成力偶，实现仿生机器鱼以质心为原点的无半径转弯。水的推力F的方向垂直于鱼体，幅度正比于被带动的流体的附加质量m_a(l)和其机器鱼在垂直方向的加速度a(l，t)。建立机器鱼的运动学模型的步骤为，在二维平面以机器鱼体上的质心点为圆点O建立一个坐标系，建立以鱼尾的弯曲半径Rc为半径，正切于x轴的圆，其方程为：x²+(y-R_c)²＝R_c²。根据水的密度ρ_ω、鱼的高度h确定附加质量m_a(l)。根据机器鱼旋转的角速度，有效阻力面积，确定机器鱼所受到的水的阻力。

本发明的有益效果：本发明是机器鱼运动控制中急转弯技术的研究，与c形和s形急转弯不同之处在于提出了一种机器鱼无半径转弯的控制方法。控制仿生机器鱼原地无半径转弯，在改变方向时不影响位置的改变，使机器鱼更加灵活，可以很好地控制某个位置上方向的改变，能实现水下原地探测或水下考古中的原地摄影。

附图说明

图1机器鱼的质心确定的正视示意图

图2机器鱼的运动控制流程图

图3a 4关节机器鱼曲线拟和理论鱼体波动曲线示意图

图3b机器鱼关节运动曲线示意图

图4两层神经网络构造控制器

图5仿生机器鱼的无半径转弯运动模型

图6虚拟机器鱼原地转弯的序列

图7仿生机器鱼无半径转弯旋转轨迹

具体实施方式

鱼的游动方式分为两类：周期性的运动是以不同的速度循环运动，适合长距离巡航；非周期的运动则包括跳、钻孔、飞、喷气式推动、急转弯、启动、制动、滑行等。通常将机器鱼的运动分为多种基本行为：

1.巡航：机器鱼沿着一条直线以恒速，加速或减速运动。

2.巡航中转弯：在直航速度不为零的情况下，转弯。

3.急转弯：突然有个角加速度。

4.快速启动：以很大的加速度启动。

5.快速制动：以很大的加速度快速制动。

6.滑行：机器鱼身体成为直线不用动力向前滑行。