[发明专利]利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼C形转弯的方法

权利要求书

1.利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼C形转弯的方法，其特征在于：包括：

步骤一，以现有仿生机器鱼C-形转弯的姿态曲线簇为基础进行分析，得到C-形转弯的过程可以分为两个阶段：收缩阶段和释放阶段；在收缩阶段鱼体快速的向一边弯曲，周围流体产生一个推动鱼体转动的转动力矩，从而使鱼能够进行快速的转向，收缩的速度越快C-形转弯的角度越大；在释放阶段鱼体从前至后缓慢的舒展躯体，减小对流体的扰动和能量的消耗，当躯体完全伸直后完成转弯的过程；

步骤二，以机器鱼躯体的对称中心为对象，简化机器鱼C-形转弯物理模型，设机器鱼在任意时刻尾部运动关节弯曲形成的圆弧的曲率半径为R_c(t)，圆心坐标为(x_c,y_c)，得C-形转弯的运动学方程如下式所示：

其中：l_h为机器鱼头部刚性段长度；m是仿生机器鱼的实际转动中心的横坐标；a是机器鱼体干上某点到鼻尖的总弧长；l为机器鱼整体的体长；

步骤三，将步骤二中的C-形转弯的运动学方程离散成随时间变化的N个尾部运动姿态，据此方程绘制出仿生机器鱼巡游时某时刻的尾部运动姿态曲线；

步骤四，假设机器鱼有三个关节，步骤三中每个时刻的姿态曲线为三个刚性关节拟合而成，通过数值逼近得出各个关节C-形转弯运动控制方程：

其中：j＝1...3；a_j为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；T₁^j为第j个关节在转弯时释放阶段的用时；

步骤五，以机器鱼第三关节转动的角度与期望转动角度误差e和误差变化率Δe，作为模糊控制器的两个输入，机器鱼第三关节的角速度控制量u作为模糊控制器的输出，设计模糊控制器；将模糊控制器的输入输出论域控制在[-1,1]，通过输入输出的比例因子来实现变换。

2.根据权利要求1所述的利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼C形转弯的方法，所述步骤四中曲线拟合的方法采用最小误差法，通过计算最小误差得出各个关节运动控制方程。

3.根据权利要求1所述的利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼C形转弯的方法，其特征在于：所述步骤三中在第k个离散时刻，机器鱼第三关节的转动角度误差和转动角度误差的变化率分别为e(k)和Δe(k)：

e(k)＝θ(k)-θ_ref

Δe(k)＝e(k)-e(k-1)

其中θ(k)代表第k时刻关节转动角度，θ_ref表示机器鱼关节的理想转动角度；

关节转动角度误差e(k)模糊论域为[-10,10]，模糊集为{NL，NS，ZE，PS，PL}；转动角度误差变化率Δe(k)模糊论域为[-5,5]，模糊集为{N，Z，P}；输出变量u(k)模糊论域为[10,50]，模糊集为{NL，NS，ZE，PS，PL}，模糊控制规则如下表1所示，模糊规则采用IF(eis...and EC is...)THEN(u is...)的语句形式进行描述：

表1

4.根据权利要求1所述的利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼C形转弯的方法，其特征在于：步骤五之后，传统模糊算法和具有角速度速度反馈的模糊算法进行仿生机器鱼C形转弯仿真，取仿生机器鱼游动角速度为0.5、1、1.5rad/s时，第三关节摆动的最大幅值分别为60、65、69，根据步骤四所述C-形转弯运动控制方程，第三关节不同角速度下的理想转动角度，并绘制两种算法下角速度为0.5、1、1.5rad/s时C形转弯弯曲阶段第三关节角速度以及关节转动角度变化曲线图，以传统模糊算法和改进模糊算法得到的结果分别进行C形转弯轨迹仿真，分别得到仿生机器鱼鱼尾第三关节的运动轨迹，以传统模糊算法得到的C形转弯仿真轨迹显示，运动中具有脱节现象。