[发明专利]仿生机器鱼运动控制方法、装置和仿生机器鱼

权利要求书

1.一种仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述仿生机器鱼的每个关节均采用预设振荡器进行节律运动模拟，所述方法包括：

根据期望的前进速度和转向速度，确定所述仿生机器鱼各个关节的相关控制参数；所述相关控制参数包括相应关节的摆动幅值和摆动频率；

将所述相关控制参数输入至所述仿生机器鱼的运动控制模型中进行参数平滑过渡预处理和角度闭环控制运算，以得到所述仿生机器鱼各个关节的目标转动角度；

其中，所述运动控制模型包括基于所述预设振荡器构成的中枢模式发生器网络，所述中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算；所述预设振荡器通过利用非线性过渡函数对hopf振荡器中的关节摆动幅值和摆动频率分别进行平滑处理且对摆动幅值进行归一处理得到；所述非线性过渡函数基于sigmoid函数构建得到，表达式如下：

其中，

式中，z₁和z_in分别为所述非线性过渡函数的输出量和输入量，ż₁为所述输出量的导数，δ为sigmoid函数的线性区间系数，β为收敛增益；

根据所述目标转动角度控制所述仿生机器鱼的各个关节舵机，以使所述仿生机器鱼执行期望动作。

2.根据权利要求1所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述仿生机器鱼包括三个采用神经元链式连接的关节，所述相关控制参数还包括连接的两两关节所对应的两个预设振荡器之间的相位耦合强度、以及两两关节之间的相位差；所述角度闭环控制运算包括：

将经过归一处理后的摆动幅值、经过平滑处理后的摆动频率、所述相位耦合强度和所述相位差输入到所述中枢模式发生器网络中相应关节的预设振荡器中，以计算得到各个预设振荡器的中间状态变量；

根据所述中间状态变量和经过平滑处理后的所述摆动幅值进行计算，得到各个预设振荡器的状态输出变量；

根据各个预设振荡器的所述状态输出变量确定各个关节的目标转动角度。

3.根据权利要求2所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，在构建所述运动控制模型的过程中，还包括：

对所述预设振荡器之间的相位耦合强度及关节的摆动频率进行局部解耦，以对基于所述预设振荡器构成的中枢模式发生器网络进行结构改进，得到改进的中枢模式发生器网络；所述改进的中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述预设振荡器的表达式如下：

；

式中，x和y为所述预设振荡器的两个中间状态变量，ẋ和ẏ为所述两个中间状态变量的导数，k为所述预设振荡器的极限环收敛速度系数，NL( )表示所述非线性过渡函数，f为关节的摆动频率，和分别为第一收敛增益和第一线性区间系数，A为关节的摆动幅值，和分别为第二收敛增益和第二线性区间系数，x_out和y_out为所述预设振荡器的两个状态输出变量。

5.根据权利要求3所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述改进的中枢模式发生器网络的表达式如下：

；

式中，x_i和y_i为第i个预设振荡器的中间状态变量，ẋ_i和ẏ_i分别为x_i和y_i的导数，k为所述预设振荡器的极限环收敛速度系数，NL( )表示所述非线性过渡函数，f为关节的摆动频率，和分别为第一收敛增益和第一线性区间系数，和分别为第二收敛增益和第二线性区间系数，x_outi和y_outi为第i个预设振荡器的状态输出变量，x_i-1和y_i-1为第i-1个预设振荡器的中间状态变量，为两个预设振荡器之间的相位耦合强度，为第i个关节到第j个关节的相位差，θ_i为第i个关节的目标转动角度，A_i为第i个关节的摆动幅值。