[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

摘要

本发明公开了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。

主权项

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通过采集胸鳍拍动式鱼类牛鼻鲼快速爬升姿态过程的视频信息，选取牛鼻鲼胸鳍和尾部边缘数据点，生成边缘数据点的位置信息，定义相对坐标系OXYZ，坐标原点O为头部右侧边缘线与右侧胸鳍边缘线的交点；X轴沿胸鳍展向方向，即躯干宽度方向；Y轴沿胸鳍弦向方向，即躯干长度方向；Z轴方向由右手定则确定，垂直于鱼体躯干平面；从数据点中选取典型特征点胸鳍前缘中点P₁、胸鳍前后缘交叉点P₂、胸鳍后缘中点P₃、尾鳍顶端点T₇，得到这四个点的坐标随时间的变化关系，其中Z轴坐标以点P₂拍动的最大振幅max A为单位，下标a、b、c分别对应各点运动周期中的起始点、中间点、终止点；s_i＝A′_i+A_isin(2πv_it+φ_i0)    (1)$\left\{\begin{array}{ccc}{v}_i=v_{i\_up},& if& {\stackrel{\·}{s}}_i\≥0\\ v_i=v_{i\_down},& if& {\stackrel{\·}{s}}_i\<0\end{array}\right.---\left(2\right)$$\left\{\begin{array}{c}{A}_{i\_\max }={A_i}^{\′}+A_i\\ A_{i\_\min }={A_i}^{\′}-A_i\end{array}\right.---\left(3\right)$Δφ_ij0＝φ_j0‑φ_i0    (4)其中s_i、A'_i、A_i、v_i、t、φ_i0分别表示第i个边缘点对应的Z向位移、振幅偏置、振幅、频率、时间、初始相位；ν_{i_up}、ν_{i_down}表示向上拍动频率、向下拍动频率；A_{i_max}、A_{i_min}表示振幅最大值即正振幅、最小值即；Δφ_ij0表示第j边缘点与第i个边缘点之间的初始相位差；鱼体快速爬升运动学模型参数具体如下，胸鳍上拍的时间为下拍的0.8/0.43倍，上拍的频率ν_{2_up}是下拍频率ν_{2_down}的0.43/0.8倍，约为0.5倍；尾部上拍频率ν_{7_up}为下拍频率ν_{7_down}的0.27/0.53倍，约为2倍；尾部T₇在胸鳍P₁点开始下拍时刻从Z坐标0处开始上拍，在P₁下拍到最大值时刻达到最大振幅值，即T₇与P₁之间相位差Δφ₁₇₀约180°；胸鳍正振幅A_{2_max}为负振幅A_{2_min}的0.54/1倍，尾部正振幅A_{7_max}为0.29max A，负振幅A_{7_min}约为0；胸鳍边缘点P₁、P₂、P₃之间的相位差Δφ_ij0约为30°至45°；步骤2、建立具有时间、空间非对称特征的相位振荡器模型建立振荡器模型如下：${\stackrel{\·\·}{r}}_i=a_i\left(\frac{a_i}{4}\right(R_i-r_i)-{\stackrel{\·}{r}}_i)---\left(6\right)$${\stackrel{\·\·}{x}}_i=b_i\left(\frac{b_i}{4}\right(X_i-x_i)-{\stackrel{\·}{x}}_i)---\left(7\right)$θ_i＝x_i+r_isin(φ_i)   (8)θ_i＝X_i+R_isin(2πv_it+φ₀)   (9)${\mathrm{\α}}_i=\frac{R_i+X_i}{2R_i}=0.5+\frac{X_i}{2R_i}---\left(12\right)$$\left\{\begin{array}{ccc}{v}_i=v_{i\_up},& if& {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1\≥0\\ v_i=v_{i\_down},& if& {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1\<0\end{array}\right.---\left(13\right)$${\mathrm{\υ}}_{i\_down}=\frac{1}{2{\mathrm{\β}}_i{T}_i}---\left(14\right)$${\mathrm{\υ}}_{i\_up}=\frac{1}{2(1-{\mathrm{\β}}_i)T_i}---\left(15\right)$${\mathrm{\υ}}_i=({\mathrm{\υ}}_{i\_up}-{\mathrm{\υ}}_{i\_down})\frac{1}{1+e^{-k{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1}}+{\mathrm{\υ}}_{i\_down}=\[\frac{2{\mathrm{\β}}_i-1}{2{\mathrm{\β}}_i(1-{\mathrm{\β}}_i)(1+e^{-k{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_i})}+\frac{1}{2{\mathrm{\β}}_i}\]\frac{1}{T_i}---\left(16\right)$其中参数i表示CPG单元序号，取值为1～7，φ_i，r_i，x_i，θ_i分别表示相位、振幅、偏置和输出，公式(5)、(6)、(7)、(8)分别为相位方程、振幅方程、偏置方程和输出方程；相位方程主要控制各连接单元间的相位关系，其中，ν_i、ω_ij、分别表示频率、i单元与j单元间的连接权重、期望相位差，当连接权重值越大时，表示j单元对i单元的相位影响越显著；振幅方程中，R_i表示期望振幅，a_i为正值常数，当a_i值越大时，r_i趋近于R_i速度越快，光滑度降低；偏置方程与振幅方程具有一样的数学表达形式，X_i为期望偏置，b_i为正值常数，主要用于控制机器鱼的空间非对称拍动；输出方程中θ_i作为单个运动关节舵机的角度输入；CPG振荡器的极限环如公式(9)所示，φ₀为初始相位，此时相位与期望相位差存在如公式(10)所示的关系，由此关系推出CPG网络结构中任意两个单元间的连接关系；由于相位振荡器模型具有振幅独立控制的特性，因此单元间的相互连接关系表现为相位关系，如CPG单元2与5的关系如公式(11)所示；公示(12)为空间非对称表述方程，其中α_i为空间非对称系数，表示驱动单元输出最大值与整个下拍或上拍行程的比值；当α_i为1/2时，表示空间对称拍动；当α_i为2/3时，θ_i正向振幅是负向振幅的2倍；当α_i为1/3时，θ_i负向振幅是正向振幅的2倍；公示(13)为时间非对称表述方程，以CPG单元1的输出斜率作为判断胸鳍上拍、下拍的依据；为正时，表示胸鳍上拍，频率ν_i为上拍频率ν_{i_up}；为负时，表示胸鳍下拍，频率ν_i为下拍频率ν_{i_down}；公示(14)、(15)引入时间非对称系数β_i，表示上拍行程所用时间与整个上下拍运动周期的比值，取值为(0,1)，T_i为拍动周期；β_i为0.5时，表示时间对称拍动；β_i为2/3时，表示上拍时间是下拍时间的2倍，即上拍频率是下拍频率的1/2倍；β_i为1/3时，表示上拍时间是下拍时间的1/2倍，即上拍频率是下拍频率的2倍；公示(16)为频率连续性过渡方程，通过指数函数避免频率ν_{i_up}与ν_{i_down}之间切换时的跳跃，使之连续光滑，k为常数，用于控制频率过渡的快慢程度；公示(17)为CPG振荡器模型的最终表述形式，包含频率方程、相位方程、振幅方程、偏置方程和输出方程，实现胸鳍拍动式机器鱼8个驱动舵机输出角度的振幅、频率、相位差、空间非对称特征和时间非对称特征的可控性；步骤3.建立CPG控制网络结构根据机器鱼8个运动关节间的相互关系特性，确定最简化CPG网络结构，包括7个CPG单元，单元1、2、3为右侧胸鳍控制单元、单元4、5、6为左侧胸鳍控制单元、单元7为尾部控制单元；以单元1作为主控单元，负责右侧胸鳍单元间的通信，并与左侧胸鳍、尾部通信；单元4作为左侧胸鳍的主控单元；CPG网络结构参数：$\left[\begin{array}{ccccccc}0& {\mathrm{\ω}}_{12}& 0& {\mathrm{\ω}}_{14}& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_{17}\\ {\mathrm{\ω}}_{21}& 0& {\mathrm{\ω}}_{23}& 0& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ω}}_{32}& 0& 0& 0& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{41}& 0& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_{45}& 0& 0\\ 0& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_{54}& 0& {\mathrm{\ω}}_{56}& 0\\ 0& 0& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_{65}& 0& 0\\ {\mathrm{\ω}}_{71}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccc}0& 2& 0& 2& 0& 0& 2\\ 2& 0& 2& 0& 0& 0& 0\\ 0& 2& 0& 0& 0& 0& 0\\ 2& 0& 0& 0& 2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 2& 0& 2& 0\\ 0& 0& 0& 0& 2& 0& 0\\ 4& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(18\right)$[T₁ T₂ … R₇]^T＝T∈[1.25，2.5]    (20)[R₁ R₂ … R₇]^T＝[1.5R 2R 3R 1.5R 2R 3R R4]^T   (21)[β₁ β₂ … β₇]^T＝[β β β β β β1‑β]^T   (22)[α₁ α₂ … α₇]^T＝[α α α α α α2‑3α]    (23)CPG网络结构连接权重矩阵如公式(18)所示，网络权重值设为2，将ω₉₁单独设为4，相位差矩阵如公式(19)所示，设定如下：单侧胸鳍CPG单元间的相位差约为30°，即单元1比2相位超前30°，单元2比3相位超前30°；左右侧胸鳍CPG单元1和4同步拍动；单元7相位滞后单元1相位为180°，即尾部运动与胸鳍运动反向；所有CPG单元周期设定为同一值T∈[1.25，2.5]，即频率为0.4至0.8Hz范围内；所有CPG单元幅度设定如公式(21)所示；参数T和R决定俯仰运动的速度；CPG单元1～6的时间非对称系数设定为β，单元7为1‑β，保证胸鳍上拍频率与尾部下拍频率相等，胸鳍下拍频率与尾部上拍频率相等；CPG单元1～6的空间非对称系数设定为α，单元7的空间非对称系数由快速俯仰运动学数据归纳总结为2‑3α；胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的方向、加速度主要由时间非对称系数β、空间非对称系数α决定；当β大于0.5且α小于0.5时，实现快速爬升运动；当β小于0.5且α大于0.5时，实现快速下沉运动；步骤4、建立快速俯仰运动控制系统高级控制中心根据陀螺仪、加速度计、深度计、红外传感器反馈的信息决策出期望俯仰角；模糊控制器根据期望俯仰角与从陀螺仪反馈回的实际俯仰角信息，生成CPG控制参数T、R、β、α；这些参数经过CPG网络的迭代计算，生成机器鱼各运动组件舵机的脉冲信号，从而实现机器鱼快速俯仰运动的控制。