[发明专利]一种快速、精确的仿生机器鱼C形起动的运动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生学领域，尤其是一种快速、精确的仿生机器鱼C形起动的控制方法。

背景技术

在长期的进化过程中，鱼类形成巡游和快速起动两种基本的运动方式。其中，快速起动是指鱼类从静止或者巡游状态突然加速或改变游动方向的一种运动方式。C形起动属于快速起动方式，主要用于逃避敌害。该方式具有很强的转向机动性，可以在不减速的情况下迅速改变方向。仿生机器鱼的研究具有重要的研究价值和应用前景，特别是在复杂环境中的水下作业、军事侦察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景广阔。仿生机器鱼C形起动方式的研究对于研究鱼类的游动机理，研究和发展水面及水下仿生机器等具有重要的作用。因此，近年来受到越来越多的重视。

上世纪70年代，Weihs最早通过研究给出金鱼C形起动的动力学分析。此后，Jing等人记录了鲫鱼和鲶鱼的C形起动的整个过程，得出在C形起动过程中尾鳍具有关键性作用的结论。Wohl和Schuster的研究表明鱼类的C形起动是非常精准的，且直线速度最大可达每秒20个身长，转向速度的峰值可达4500°/s。

目前，国内外许多机器人领域的专家与学者分别设计、制造仿生机器鱼来模仿鱼类运动，研究鱼类的游动机制。Liu和Hu设计制造的四关节机器鱼，模仿鱼类C形起动方式，可以达到最大旋转角度为120°/s。Yu设计的多关节机器鱼，通过优化旋转控制参数和特征，同样获得了120°/s的最大旋转角度。但是，两人在机器鱼C形起动的伸展阶段，均采用了减小关节转动速度的方法，以减小对关节角的影响。这样，会延长伸展阶段的时间，从而减慢C形起动速度。

发明内容

本发明的目的是设计一种快速、精确的仿生机器鱼C形起动的运动控制方法，使仿生机器鱼快速、精确的C形起动。

根据BCF(body and/or caudal fin，鱼体尾鳍推进式)鱼类C形起动分为弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段三个阶段，本发明针对每一阶段提出相应的理论方法。在弯曲阶段，根据不同鱼类的游动机理，提出了小尾鳍模型和大尾鳍模型；在保持阶段，提出动态轨迹跟踪算法；在伸展阶段，提出机器鱼C形转向过渡到前向游动的算法。针对机器鱼的游动控制，本发明设计出相应的闭环控制方法来优化机器鱼C形起动时三个阶段的过渡，减小机器鱼转向时水流对鱼体产生的反冲力，控制鱼体转动关节的关节转角，以获得相对精确的起动。本发明将为尾鳍驱动的多关节仿生机器鱼的理论设计提供参考，实现灵活、机动的游动控制。

附图说明

图1是仿生机器鱼的系统坐标系示意图。

图2是仿生机器鱼小尾鳍模型和大尾鳍模型的示意图。

图3是仿生机器鱼保持阶段关节转角示意图。

图4是仿生机器鱼伸展阶段示意图。

图5是仿生机器鱼高层次控制方法示意图。

图6是仿生机器鱼低层次闭环控制结构图。

图7是仿生机器鱼C形起动180°转向实验视频截图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是仿生机器鱼的系统坐标系示意图，如图1所示，J₀表示机器鱼鱼喙，J_i(i＝1，2，...，n)表示机器鱼的n个关节，J_n+1表示机器鱼的尾鳍节点，L_i(i＝0，1，...，n)表示机器鱼的n+1个体段，其中L₀表示机器鱼的头部，L_n表示机器鱼的尾鳍。本发明所涉及的系统坐标系的原点建立在关节J₁处，x轴方向始终为鱼头的反方向，y轴方向与x轴方向垂直。

本发明所提出的快速、精确的仿生机器鱼C形起动的运动控制方法，具体为对于仿生机器鱼C形起动的三个阶段即弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段，分别进行控制的方法，所述控制方法具体包括以下步骤：

步骤1，在仿生机器鱼C形起动的弯曲阶段，对于具有较小尾鳍的鱼类，建立小尾鳍模型，对于具有较大尾鳍的鱼类，建立大尾鳍模型。

在仿生机器鱼C形起动的弯曲阶段，仿生机器鱼由直线形态变成曲线形态，弯曲阶段的目的是使机器鱼鱼体迅速转向目标方向。在该阶段，影响鱼体弯曲的因素主要包括鱼的游动速度和水流对鱼体的作用力。而水流的作用力与鱼体的作用面积密切相关，不同鱼类具有不同的作用面积，因此，根据不同鱼类的形体特征和游动机理，本发明在该阶段设计出小尾鳍模型和大尾鳍模型。