[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

说明书

本发明公开了一种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，在传统C形控制算法上进行改进，采用了具有角速度反馈的模糊控制算法，优化了机器鱼的C形转弯。与传统算法相比，将游动时的角速度作为模糊逻辑控制器的反馈，能够使机器鱼在C形转弯过程中速度变化更加平稳，通过控制器实时调整关节转弯角度，使得转弯姿态更加流畅，并减小速度惯性对机器鱼关节转弯角度的影响。最后结合实验验证该算法的可行性及实用性。

技术领域

本发明涉及机器鱼技术领域，特别是一种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。

背景技术

现有控制机器鱼C-形转弯运动的方法是通过观察真实鱼类的C形转弯曲线，采用曲线拟合法得到了机器鱼C形转弯的运动方程，利用C形转弯运动方程控制机器鱼进行转弯的常用算法是模糊控制算法，该算法对机器鱼的模型精确度要求度低，但在传统的C形转弯控制中，虽然也用了模糊控制器进行控制，但是没考虑到机器鱼C形转弯中的游动角速度对关节转动角度的影响，会导致C形转弯时姿态不流畅，且速度过快产生的惯性会增加转弯阻力，减小转弯角度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种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。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

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，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；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；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。

本发明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。

最小误差方程为：

其中：R_p为一个假设的长度比例相关系数，R_p∈[0,1]，它表示刚性关节与仿生机器鱼尾部运动方程曲线的交点到起点之间的关节长度占总长度的比例，