[发明专利]一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法

说明书

技术领域

本发明属于仿生学技术领域，具体涉及一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法。

背景技术

胸鳍拍动式鱼类，如魔鬼鱼Manta、牛鼻鲼和鹰嘴鹞等，通过拍动胸鳍使波动变形沿胸鳍弦向传递(胸鳍上传递波长小于1)，产生推进力和升力，通过尾鳍微调俯仰运动。胸鳍拍动式机器鱼具备良好的机动性、稳定性、推进效率。其高机动性由胸鳍和尾部(躯干后三分之一部分和尾鳍部分)的主动变形协调控制，实现快速俯仰、小半径转弯、滑翔、翻滚等姿态。胸鳍拍动式机器鱼具备的快速俯仰、零半径径转弯等高机动能力具有重要意义，为实现复杂地形下的海洋探测、军事侦察提供实际应用可能。

现有的胸鳍拍动式机器鱼主要采用两种方式实现俯仰运动。第一种方式为利用鱼鳔原理实现俯仰运动，通过改变机器鱼自身浮力、浮心位置实现升潜运动，通常这种方式由于可以改变的排水量范围有限、俯仰力矩的力臂变化有限，从而无法短时间内产生足够的俯仰姿态变化或机器鱼深度变化；并且需要控制俯仰运动的鱼鳔装置，增加机械结构复杂度。第二种方式为利用后部尾鳍，在具备较大游动速度情况下，通过改变尾鳍俯仰角度被动产生俯仰力矩，其原理在于通过尾鳍偏转改变流体速度方向，从而获得相互作用力，跟喷气式飞机尾翼原理类似；这种方式在高游动速度下比较有效，在低游动速度下基本失效，且短时间内无法形成大俯仰角变化。为使胸鳍拍动式机器鱼面对陡峭型障碍物时，具备较强的越障能力，发明一种不受游动速度限制的快速大俯仰角变化运动的实现方法尤为重要。

发明内容

本发明为了解决传统胸鳍拍动式机器鱼依靠鱼鳔原理或尾鳍无法实现快速且超过60°的大俯仰姿态变化的问题，提出一种生物中枢模式发生器Central Pattern Generator(简称CPG)控制方法，协调控制多驱动胸鳍与尾部实现胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化的运动(简称快速俯仰运动)。

本发明的一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法，包括以下几个步骤：

步骤1、建立快速俯仰运动学模型；

步骤2、建立具有时间、空间非对称特征的相位振荡器模型；

步骤3.建立CPG控制网络结构；

步骤4、建立快速俯仰运动控制系统。

本发明的优点在于：

(1)采用多驱动的胸鳍与尾部协调运动，通过空间、时间非对称运动特性，致使机器鱼能够产生的俯仰力矩远大于通过鱼鳔或单一尾鳍偏转所产生的力矩，因此本发明能够实现胸鳍拍动式机器鱼快速俯仰(俯仰角变化大于60°)运动，大大提升机器鱼面对水下垂直壁面型障碍物的越障、避障能力。

(2)通过CPG控制方法可以进行复杂的多驱动系统参数简化，并通过CPG网络结构和单元间的耦合关系形成各种特定的工作模式，并且能够实现各模式间的顺滑切换；本发明采用CPG控制方法将快速俯仰运动简化为一种运动模式，协调控制多驱动胸鳍与尾部，实现快速俯仰运动模型中胸鳍与尾部的时间、空间非对称拍动特性及其相互间的运动关系，并且降低了控制参数的维数，最终通过控制周期、振幅、时间非对称系数、空间非对称系数实现胸鳍拍动式机器鱼的快速俯仰运动。

附图说明

图1是本发明的牛鼻鲼快速爬升姿态示意图；

图2是本发明的牛鼻鲼快速爬升姿态数据分析示意图；

图3是本发明的CPG控制网络结构示意图；

图4是本发明的快速俯仰运动控制系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明主要保护的技术方案：

(1)提出胸鳍拍动式鱼类胸鳍与尾部联合拍动实现快速俯仰的运动学模型，包括胸鳍拍动过程中空间非对称性特征(以鱼类躯干平面为参考平面，躯干平面上侧的胸鳍拍动幅度与下侧的拍动幅度不相等)、时间非对称性特征(胸鳍向下拍动行程的时间与向上拍动行程的时间不相等)，尾部拍动的空间、时间非对称性特征，以及胸鳍与尾部的运动关系。

(2)提出基于相位振荡器模型的CPG控制方法，在胸鳍拍动式机器鱼上实现快速俯仰运动，包括构建特殊结构形式的CPG网络，确定CPG单元间的耦合关系，提出空间、时间非对称性特征的实现方式。

(4)具备时间、空间非对称特征的CPG相位振荡器模型：