专利名称：一种仿生长鳍波动推进器运动控制方法
技术领域：
本发明属于机电一体化技术领域，涉及水下仿生长鳍波动推进器的运 动控制方法。
背景技术：
鱼类的推进方式可以分为两种， 一种是身体/尾鳍推进方式(BCF方 式)鱼体通过身体的波动运动或尾鳍的摆动运动产生推进力；另一种是奇鳍/对鳍推进方式(MPF方式)鱼体通过背鳍或腹鳍这样的奇鳍，或如胸鳍这样的对鳍的运动来产生推进力。BCF方式在静水环境、高速游动状 态下拥有很好的加速性能和很高的游动效率，而MPF方式在紊流环境、 低速运动状态下灵活性和抗扰动性较强，游动效率较高。受机构和控制系 统设计复杂性的制约，早期仿鱼类水下推进系统的设计主要采用BCF方 式和MPF方式中的胸鳍摆动方式。随着工程技术的发展，MPF方式中的 波动鳍推进方式正受到越来越多的关注。国内外将这种推进方式应用于水 下雅进器研究的有新加坡南洋理工大学仿照鳐鱼研制开发了长鳍波动推 进系统；日本大阪大学研制了依靠两侧长鳍波动推进的游动机器原型系 统；美国的西北大学也研究了长鳍波动推进运动产生推力的机理，建立了 长鳍波动推进实验系统；国防科技大学在对"尼罗河魔鬼鱼"游动机理的研 究基础上，研制开发了一套长鳍波动推进系统。目前对于波动鳍推进方式 的研究，主要集中在机构的设计方面，而对波动鳍的运动控制方法很少有 详细的介绍。仿生波动鳍的机构由多个鳍条和连接相邻鳍条的柔性鳍膜组成，鳍膜 在鳍条的驱动下作波动运动，波动鳍的运动控制主要依靠协调控制多数个 鳍条的摆动，产生需要的运动模式。发明内容为了解决仿生长鳍波动推进器上多个舵机的协调控制问题，本发明的 目的是协调控制多个鳍条的摆动带动鳍膜波动运动并产生推进力，使仿生 长鳍波动推进器能够实现不同的运动模式，为此，本发明提供一种基于中 枢模式发生器CPG模型的仿生长鳍波动推进器运动控制方法。为达成所述的目的，本发明仿生长鳍波动推进器运动控制方法，解决 问题的技术方案包括如下步骤步骤S1:选取长鳍波动推进器的运动模式；步骤S2:对选取的长鳍波动推进器的运动模式设定中枢模式发生器模 型微分方程的输入参数；步骤S3:对选取的运动模式设定中枢模式发生器模型微分方程的初始值；步骤S4:设定求解中枢模式发生器模型微分方程的数值计算方法中的迭代计算步长；步骤S5:在给定中枢模式发生器模型微分方程的全部参数、初始值和计算步长基础上，利用欧拉方法解出中枢模式发生器模型微分方程的数值解，该数值解为计算长鳍波动推进器舵机控制输出量所必须的中间变量； 步骤S6:依据中枢模式发生器模型微分方程的数值解进一步计算出中枢模式发生器模型的输出振幅值，该输出值为计算长鳍波动推进器舵机控制输出量所必须的中间变量；步骤S7:将中枢模式发生器模型的输出振幅值进行规范化，进而计算出长鳍波动推进器鳍条摆动的角度，并转换成脉宽调制波产生器的输入计数值；步骤S8:由脉宽调制波产生器根据输入计数值产生相应占空比的方 波，用于舵机运动控制，完成本控制周期内对舵机的控制输出；步骤S9:将中枢模式发生器模型微分方程的数值解作为下一控制周期 求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已设定的中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回步骤(5)进行迭代运算。其中，所述输入参数和初始值，用于协调控制多数个鳍条的摆动，并 实现长鳍波动推进器的急停运动控制。其中，所述输入参数和初始值，用于协调控制多数个鳍条的摆动，并 实现仿生长鳍波动推进器的转弯运动控制。其中，所述输入参数和选择初始值，用于协调控制多数个鳍条的摆动， 并实现长鳍波动推进器的快速启动运动控制。其中，所述运行模式为稳态游动前进模式、稳态游动后退模式、快速 启动模式、急停模式和转弯模式，根据所述运行模式设定微分方程的输入参数为阶跃输入响应时间z;，适应时间r。，互抑系数a，自抑系数"外部恒定激励输入c,和外部反馈输入",。其中，根据稳态游动前进模式、稳态游动后退模式、快速启动模式、 急停模式和转弯模式，设定微分方程的初始值为(《《《。《。f ，其中 "1,2,...，10，代表第/个振荡器，初始值中包含振荡器之间相对的相位关系,/，e分别代表屈肌神经元和伸肌神经元；r为行向量的转置。其中，所述中枢模式发生器模型的基本组成单元采用神经振荡器。其中，所述神经振荡器的数学模型为/代表第!'个振荡器；y代表第7个振荡器；"为振荡器个数；/,e分别代表 屈肌神经元和伸肌神经元；",为神经元内部状态，v,为神经元疲劳程；J;为 阶跃输入响应时间；？;为适应时间；"为互抑系数；6为自抑系数；c,为外 部恒定激励输入；《为外部反馈输入；,'s用作振荡器间的相互影响项；, 为振荡器间的连接权重，％=1表示相互激励，％. = -1表示相互抑止，w,,=0 表示不存在自抑制；x为振荡器的输出。其中，所述采用欧拉方法解出的中枢模式发生器模型微分方程的数值 解为="a+V("a+:va)，式中rx + v,e = >>，+一 +72^力+/(",,x)=丘A是欧拉方法迭代计算的步长，A是欧拉方法迭代计算的步数。其中，所述脉宽调制波产生器的输入计数值为=+ P。) 式中^是由规范值计算出鳍条的摆动角度为&=arCSinO/a);中枢模式发生器模型的输出振幅值规范化为/"-与sir^,;由中枢模式发生器模型微分方程的数值解计算出中枢模式发生器模型的输出振幅值为 & 4是第z'个振荡器最大输出信号幅度的估计值，t,是鳍条的最大摆幅角度，y ^K)函数用于向上取整，A是舵机中间位置的脉宽调制波计数值，^是变换尺度系数。本发明有益效果本发明采用适合节律运动控制的中枢模式发生器 CPG模型解决仿生长鳍波动推进器上多个舵机的协调控制问题。针对选择的不同运动模式设定中枢模式发生器CPG模型的微分方程的输入参数和初始值，通过计算获得推进器舵机的控制量，实现运动控制。该方法采用 统一的模型结构，通过改变输入参数和初始值就可以实现仿生长鳍波动推 进器不同节律的波动运动，完成前进、后退、急停、快速启动和转弯等运 动。该方法简单、可靠，易于实现，计算量小，实时性好，能够满足多路 舵机协调控制的时间要求。
图1是本发明长鳍波动推进器控制方法的工作流程 图2是本发明周期运动模式鳍条摆动的示意图； 图3是本发明快速启动模式鳍条摆动的示意图； 图4是本发明急停模式鳍条摆动的示意图； 图5是本发明转弯模式鳍条摆动的示意图；具体实施方式
下面结合附图对基于中枢模式发生器CPG模型的仿生长鳍波动推进 器运动控制方法做出说明。根据图l对本发明长鳍波动推进器控制方法进行详细介绍，针对选择 的不同运动模式设定中枢模式发生器CPG模型的微分方程的输入参数和 初始值，通过计算获得推进器舵机的控制量，实现运动控制。所述输入参 数和初始值，用于协调控制多数个鳍条的摆动，并实现长鳍波动推进器的 急停运动控制、实现仿生长鳍波动推进器的转弯运动控制和实现长鳍波动 推进器的快速启动运动控制。所述运行模式为稳态游动前进模式、稳态游 动后退模式、快速启动模式、急停模式和转弯模式。本发明的控制方法在现场可编程门电路(FPGA)芯片中实现，能够 实时在线的控制仿生长鳍波动推进器的运动。所述中枢模式发生器CPG模型的基本组成单元采用神经振荡器，中 枢模式发生器CPG是一种能够产生节律运动模式的耦合神经振荡器的集 合，适合于耦合的多个鳍条的运动控制。本发明采用的是改进的Matsuoka 振荡器，输出值的变化更加平滑，更有利于舵机的控制。神经振荡器的数学模型如公式(1)所示rX + < = 乂' f±i,(";')其中，/代表第/个振荡器；J代表第7个振荡器；"为振荡器个数；/,e 分别代表屈肌神经元和伸肌神经元；",为神经元内部状态，v,为神经元疲 劳程；>^6用作振荡器间的相互影响项；,为振荡器间的连接权重，^. = 1 表示相互激励，^=-1表示相互抑止，^=0表示不存在自抑制；少,为振荡器的输出。根据所述运行模式设定微分方程的输入参数为j;为阶跃输入响应时间；T。为适应时间；a为互抑系数；6为自抑系数；c,为外部恒定 激励输入；《为外部反馈输入。中枢模式发生器CPG模型由十个神经振荡器构成。 下面对长鳍波动推进器的运动控制方法举例说明步骤S1、选取长鳍波动推进器的运动模式稳态游动前进模式为^、 稳态游动后退模式为附2、快速启动模式为^、急停模式为 和转弯模式为附5;步骤S2、根据选择的长鳍波动推进器的运动模式，设定中枢模式发生 器模型微分方程的输入参数？;， ra， "， 6; c,，《，/ = 1,2,...,10; % ， /,y = l,2,...，10 ;若选取运动模式为稳态游动前进模式m,，则设定微分方程的输入参 数7>0.05; Ta = 0,2 ; a = -1.0; 6 =-2.0 ; c, = 1 ， t/, = 0 ， f = l,2,.."10;若选取运动模式为稳态游动后退模式^ ，则设定微分方程的输入参数 >0.05; ra=0.2; " = —1.0; 6—2.0; c, = 1 ，《=0， / = 1,2,...，10;-1,0, / = 7' /,/ = 1，2,...，10若选取运动模式为快速启动模式"\则设定微分方程的输入参数: 7;=0.025; r。=0.1; a = _i.o; 6 = —2.0; c,=0.9 + 0,01/;《=0， / = 1,2,.,.,10;若选取运动模式为急停模式 ，则设定微分方程的输入参数:10..,10，代表第/个振荡器；初始值中已经l11rr =0.025. r。=0.1. a = _i.o; 6 = —2.0; c,=l —O.Ol/;《=0， z' = l,2,..,，10-i,0, / = /,/ = 1,2,...,10 .若选取运动模式为转弯模式^ ，则设定微分方程的输入参数-7>0.06; 7>0.24; a = —L0; 6 =-2.0;_ J 1.01-0.01/, l化5 0.0903c,, l"5c'=<[o.9 + 0.01/, 6^/^10 . ' 一i一0.0903c,， 6^/^10 ， / = 1,2"..,10 ;W"_lo, ，'力'-l,2,…,10;其中，j" 0細3c,， 1S"5 '1-0.0903c,， 6《"10由5';香，和4A的估计值4 = 0.3948c,.，《=2.1856《算出。步骤S3、对选取的运动模式设定中枢模式发生器模型微分方程的初始 值(《《<Q《。f ，其中/ = 1,2,...,10，代表第/个振荡器；初始值中蕴含 振荡器之间相对的相位关系；/>分别代表屈肌神经元和伸肌神经元；r为 行向量的转置。若选取运动模式为稳态游动前进模式,，则设定微分方程的初始值为:其中/ = 1,2<formula>formula see original document page 11</formula>相对的相位关系。若选取运动模式为稳态游动后退模式^ ，则设定微分方程的初始值为:《《 w,'o0.05+ 0.2 sin 0.075+ 0.05 sin 0.05+ 0.2 sin 0.075+ 0.05sin10-/ l 20;r .-+ —、20tt 310. — + ;r 20;r 乂10-/ 4;r20;r 丁.其中'1G，代表第''个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相对的相位关系。若选取运动模式为快速启动模式"S则设定微分方程的初始值为W、 《=(0.9 + 0.0h-)x0.05 + 0.2sin20;r0.075+ 0.05sinf^i + 2 U0;r 3」0.05 + 0.2sin/ —1 20兀 + 7t0.075+ 0.05sinl其中/ = 1,2,".,10的相位关系。、20tt3 乂乂代表第,'个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相对若选取运动模式为急停模式 ，则设定微分方程的初始值为:' 」—r 、V、《 <0=(l_0.01/)x0.05+ 0.2 sin20;r」0.075 +0.05 sin f^ +三、20;r 3,/_1 一0.05 + 0.2sin20;r0.075+ 0.05 sin+ ， U0tt3 ,其中"1，2，…，10，代表第z'个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相对 的相位关系。
若选取运动模式为转弯模式^，则设定微分方程的初始值为-
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中hl，2，…，10
的相位关系。
步骤S4、设定求
代表第z'个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相对
S率中枢模式发生器模型微分方程所采用的数值计算方
法-欧拉方法的迭代计算步长A ;
步骤S5、在给定中枢模式发生器模型微分方程的全部参数、初始值和 计算步长基础上，利用欧拉方法解出中枢模式发生器模型微分方程的数值
实中，
<formula>formula see original document page 13</formula><formula>formula see original document page 14</formula>
该数值解为计算长鳍波动推进器舵机控制输出量所必须的中间变量； A是欧拉方法迭代计算的步数。
步骤S6、依据中枢模式发生器模型微分方程的数值解进一步计算出中 枢模式发生器模型的输出振幅值，；
该输出值为计算长鳍波动推进器舵机控制输出量所必须的中间变量；
步骤S7、将中枢模式发生器模型的输出振幅值规范化，进而计算出长 鳍波动推进器鳍条摆动的角度，并转换成脉宽调制(PWM)波产生器的 输入计数值；输出振幅值规范化为<formula>formula see original document page 14</formula>
由规范值计算出鳍条摆动的角度
<formula>formula see original document page 14</formula>
将角度值换算成PWM波产生器的输入计数值
其中4是第/个振荡器最大输出信号幅度的估计值，t,是鳍条的最大 摆幅角度，/7^K)函数用于向上取整，A是舵机中间位置的PWM波计数
值，s是变换尺度系数。
步骤S8、 PWM波产生器由输入计数值产生相应占空比的方波，用于 舵机控制，完成本控制周期内对舵机的控制输出；步骤S9、将步骤S5中获得的中枢模式发生器模型微分方程的数值解 作为下一控制周期求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已 设定的中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回
步骤S5进行迭代运算。
在确定了微分方程求解算法欧拉方法的迭代计算步长、中枢模式发生
器模型输入参数和初始值后，通过步骤(5)到步骤(9)的迭代运算给出 连续的舵机控制信号输出；输出舵机控制信号协调控制仿生长鳍波动推进 器多个鳍条舵机的摆动，实现对仿生长鳍波动推进器前进、后退、启动、 急停和转弯运动的控制。
算法具体实现和参数设置分为如下几部分介绍。 (一)、稳态游动前进模式
(1) 选取运动模式为稳态游动前进模式m,;
(2) 设定微分方程的输入参数7>0.05; T。 = 0.2 ;…1.0; 6 = -2.0 ;
f—1, / # 7.
c,=l， c/,=0，〖=1,2"..,10; w,, — ， /,_/ = 1,2,...,10 ;
l 0, / = y
(3)设定微分方程的初始值为
,《、 《
0.05 + 0.2sin
/一1
0.075+ 0.05 sin 0.05 + 0.2sin 0.075十0.05sin
、20tt 3乂
20;r '/一l 4;r、
U0;r3 "
其中/ = 1,2,...,10，代表第/个振荡器；初始值中已经蕴含了振荡器之间 相对的相位关系。
(4) 设定求解中枢模式发生器模型微分方程所采用的数值计算方法-欧拉方法的迭代计算步长/2 = 0.02 ;
(5) 利用欧拉方法解出微分方程的数值解
、+机"a+乂,》其中，
v、
W人
V、 、x人
/(",,x)=
r "'. + t7 t 乂. t1 W/)'少y 2"" 2""
乂=1
i e z e o f i 一 ￡ ^
7", +广，
_丄e 丄e
4
(6)由微分方程的数值解进一步计算出中枢模式发生器模型的输出
振幅值:
(7)将中枢模式发生器模型的输出振幅值规范化:
-sm-
^ 4 0.3948c, 4
由规范值计算出鳍条的摆动角度
& =arcsin(,t) 将角度值换算成PWM波产生器的输入计数值
麵"^ = y/離(《+ Po) = y oor(15626^ +4688) 其中4. =0.3948。是第!'个振荡器最大输出信号幅度的估计值，函 数用于向上取整，p。是中间位置的PWM波计数值，s是变换尺度系数。
(8) PWM波产生器由输入计数值产生相应占空比的方波，用于舵机
控制；
(9) 将(5)中获得的中枢模式发生器模型微分方程的数值解作为下 一控制周期求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已设定的 中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回(5) 进行迭代运算。(二)、稳态游动后退模式
(1) 选取运动模式为稳态游动后退模式^;
(2) 设定微分方程的输入参数rr=0.05; Ta = 0.2 ; fl = -1.0; 6 = -2.0 ;
c. =1， ^=0， / = 1,2,...,10; w,, = j—L '" ， /,_/ = 1,2,...,10 ; ' ' y 0, / = /■
其中/ = 1,2,...,10，代表第/个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相X寸 的相位关系。
(4) 设定求解中枢模式发生器模型微分方程所采用的数值计算方法-欧拉方法的迭代计算步长A = 0.02 ;
(5) 利用欧拉方法解出微分方程的数值解
其中，
/、
G,、
乂4
/4
1/ 6 , ae 1々 , C,
1 e6 e" /1々 e 《
+ ^ ^
17
台值为:
0.05 + 0.2sin
10-/' 、20;r .
0,075+ 0.05 sin
0.05+ 0.2 sin 0.075+ 0.05 sin
10-/ 20兀
.+兀
乂
10-/ 4tt V 20;r 3 '
的
设
o
7 .,，(6)由微分方程的数值解进一步计算出中枢模式发生器模型的输出
隔1
(7) 将中枢模式发生器模型的输出振幅值规范化
"4 4 0.3948^ 4
由规范值计算出鳍条的摆动角度
~ =arcsin(>'a) 将角度值换算成PWM波产生器的输入计数值
= _/7離(《+ = _/7oor(15626>a +4688) 其中4 = 0.3948c,是第/个振荡器最大输出信号幅度的估计值，yfcM()函 数用于向上取整，p。是舵机中间位置的PWM波计数值，s是变换尺度系 数。
(8) PWM波产生器由输入计数值产生相应占空比的方波，用于舵机
控制；
(9) 将(5)中获得的中枢模式发生器模型微分方程的数值解作为下 一控制周期求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已设定的 中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回(5) 进行迭代运算。
稳态游动前进模式和稳态游动后退模式鳍条摆动的示意图如图2所 示，设沿一y轴的方向为游动的正方向，行波传播方向沿+y轴方向的运 动模式为稳态前进模式，此时第/根鳍条的摆动相位超前于第/ + 1根鳍条的
摆动相位0.2;r;行波传播方向沿一y轴方向的运动模式为稳态后退模式， 此时第/根鳍条的摆动相位滞后于第/ + 1根鳍条的摆动相位0.2^。
(三)、快速启动模式
(1) 选取运动模式为快速启动模式m;;
(2) 设定微分方程的输入参数7>0.025; 7>0.1;…1.0; 6 =-2.0 ;
<formula>formula see original document page 18</formula>(3)设定微分方程的初始值为
V、
《
《o
=(0.9 +0.01/) x
0.05 + 0.2sin
/一1
0.075十0.05sinf^i +三、
0.05 + 0.2sin( "^ + r)
'/ _ 1 4;r 、 +
0.075 +0,05sin
.20丌3 .
其中/ = 1,2,...,10，代表第/个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相对 的相位关系。
(4) 设定求解中枢模式发生器模型微分方程所采用的数值计算方法-欧拉方法的迭代计算步长/z = 0.02 ;
(5) 利用欧拉方法解出微分方程的数值解
其中，
"'八
——+ — v/ +——乂. + — 〉 .w,.,j^ +丄+
>1
(6)由微分方程的数值解进一步计算出中枢模式发生器模型的输出
振幅值:
19(7) 将中枢模式发生器模型的输出振幅值规范化
"J, 4 0.3948c, 4
由规范值计算出鳍条的摆动角度
6>a =arcsin(>'a) 将角度值换算成PWM波产生器的输入计数值
= ,or(5^,. A + p。)=如o,(1562^ +4688) 其中4 = 0.3948c,是第/个振荡器最大输出信号幅度的估计值，函
数用于向上取整，A是舵机中间位置的PWM波计数值，^是变换尺度系 数。
(8) PWM波产生器由输入计数值产生相应占空比的方波，用于舵机
控制；
(9) 将(5)中获得的中枢模式发生器模型微分方程的数值解作为下 一控制周期求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已设定的 中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回(5) 进行迭代运算。
快速启动模式鳍条摆动的示意图如图3所示，设沿一y轴的方向为游 动的正方向，行波传播方向沿+y轴方向，第f根鳍条的摆动相位超前于第 / + 1根鳍条的摆动相位0.2冗，且第1根鳍条到第IO根鳍条的摆动幅度依次 线性增大。
(四)、急停模式
(1) 选取运动模式为急停模式附4;
(2) 设定微分方程的输入参数7;=0.025; 7;=0.1; " = -1.0; 6 =-2.0 ;
f—1, " /
c,=l — 0.01/;《=0， / = 1,2,...,10; w〃 — ， /,/= 1,2,…，10 ;
L。，
(3) 设定微分方程的初始值为
20<formula>formula see original document page 21</formula>
其中/ = 1,2,...,10，代表第/个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相对
的相位关系。
(4) 设定求解中枢模式发生器模型微分方程所采用的数值计算方法-欧拉方法的迭代计算步长^ = 0.02 ;
(5) 利用欧拉方法解出微分方程的数值解
其中，<formula>formula see original document page 21</formula>(6)由微分方程的数值解进一步计算出中枢模式发生器模型的输出
隔值:
(7)将中枢模式发生器模型的输出振幅值规范化:"J, 4 0.3948c, 4
由规范值计算出鳍条的摆动角度
6>a =arcsin<ya) 将角度值换算成PWM波产生器的输入计数值
ccw"f,,A = y oo"《+ p0) = _/Zoor(l 5626^ +4688) 其中4=0.3948。是第/个振荡器最大输出信号幅度的估计值，y ooK)函 数用于向上取整，p。是舵机中间位置的PWM波计数值，^是变换尺度系 数。
(8) PWM波产生器由输入计数值产生相应占空比的方波，用于舵机
控制；
(9) 将(5)中获得的中枢模式发生器模型微分方程的数值解作为下 一控制周期求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已设定的 中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回(5) 进行迭代运算。
急停模式鳍条摆动的示意图如图4所示，设沿一y轴的方向为游动的 正方向，行波传播方向沿一y轴方向第/根鳍条的摆动相位滞后于第,:+ l根
鳍条的摆动相位0.2;r，且第1根鳍条到第IO根鳍条的摆动幅度依次线性减小。
(五)、转弯模式
(1) 选取运动模式为转弯模式附5;
(2) 设定微分方程的输入参数7;=0.06; ra=0.24; " = -1.0; 6 = -2.0;
「1.01 — 0.01/, 1S/S5 f 0.0903c,, 1S/S5
c" ; 《=乂 ' ， / = 1,2,...,10 ;
'10.9 + 0.01/， 6^/^10 1—0.0903c,, 6^/<10
f一l, 廿山 f0細3C,, 1S/S5 上 爿 rCn
w = ' J ， /,_/ = 1,2,...,10 ;其中《= ' 由《=佥，和
4,A的估计值4 = 0.3948c, ， A = 2.1856《算出。
(3) 设定微分方程的初始值为的相位关系。
(4) 设定求解中枢模式发生器模型微分方程所采用的数值计算方法-欧拉方法的迭代计算步长/2 = 0.02;
(5) 利用欧拉方法解出微分方程的数值解
,八 、
其中，
乂丄
乂4
1 / 6 y fl! e1々 / C,.
1 e 6e a , 1 e C, 《■
(6)由微分方程的数值解进一步计算出中枢模式发生器模型的输出
0.05
4;r
r乂
、
0.075+ 0,05sin^ 3
0.05 0.075+ 0.05sin
0.05 + 0.2sin 0.075+ 0.05 sin
0.05 + 0.2sin 0.075十0.05sin
T
19;r
12
12"
:/个振荡器；初始值中蕴含了振荡器之间相对
第
代
o
中
其振幅值:
(7) 将中枢模式发生器模型的输出振幅值规范化
z "4 4 0.3948c, 4
由规范值计算出鳍条的摆动角度
& -arcsinO',》 将角度值换算成PWM波产生器的输入计数值
謹 =/7縱(《+ Po) = y7oor(15626^ +4688) 其中4. = 0.3948c,是第/个振荡器最大输出信号幅度的估计值，函 数用于向上取整，p。是舵机中间位置的PWM波计数值，^是变换尺度系 数。
(8) PWM波产生器由输入计数值产生相应占空比的方波，用于舵机
控制；
(9) 将(5)中获得的中枢模式发生器模型微分方程的数值解作为下 一控制周期求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已设定的 中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回(5) 进行迭代运算。
转弯模式鳍条摆动如图5所示，第l、 2、 3、 4、 5根鳍条的摆动相位 相同，第6、 7、 8、 9、 IO根鳍条的摆动相位相同，且第1到第5根鳍条 的摆动相位和第6到第10根鳍条的摆动相位相差;r ，第1到第5根鳍条的 摆动幅度依次减小，第6到第10根鳍条的摆动幅度依次增大。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想 到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保 护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、长鳍波动推进器控制方法，其控制步骤包括步骤S1选取长鳍波动推进器的运动模式；步骤S2对选取的长鳍波动推进器的运动模式设定中枢模式发生器模型微分方程的输入参数；步骤S3对选取的运动模式设定中枢模式发生器模型微分方程的初始值；步骤S4设定求解中枢模式发生器模型微分方程的数值计算方法中的迭代计算步长；步骤S5在给定中枢模式发生器模型微分方程的全部参数、初始值和计算步长基础上，利用欧拉方法解出中枢模式发生器模型微分方程的数值解，该数值解为计算长鳍波动推进器舵机控制输出量所必须的中间变量；步骤S6依据中枢模式发生器模型微分方程的数值解进一步计算出中枢模式发生器模型的输出振幅值，该输出值为计算长鳍波动推进器舵机控制输出量所必须的中间变量；步骤S7将中枢模式发生器模型的输出振幅值进行规范化，进而计算出长鳍波动推进器鳍条摆动的角度，并转换成脉宽调制波产生器的输入计数值；步骤S8由脉宽调制波产生器根据输入计数值产生相应占空比的方波，用于舵机运动控制，完成本控制周期内对舵机的控制输出；步骤S9将中枢模式发生器模型微分方程的数值解作为下一控制周期求解中枢模式发生器模型微分方程时的初始值，保持已设定的中枢模式发生器模型微分方程输入参数和迭代计算步长不变，返回步骤(5)进行迭代运算。
2、 根据权利要求1的控制方法，其特征在于，所述输入参数和初始值，用于协调控制多数个鳍条的摆动，并实现长鳍波动推进器的急停运动 控制。
3、 根据权利要求1的控制方法，其特征在于，所述输入参数和初始值，用于协调控制多数个鳍条的摆动，并实现仿生长鳍波动推进器的转弯运动控制。
4、 根据权利要求1的控制方法，其特征在于，所述输入参数和选择 初始值，用于协调控制多数个鳍条的摆动，并实现长鳍波动推进器的快速 启动运动控制。
5、 根据权利要求1控制方法，其特征在于，所述运行模式为稳态游 动前进模式、稳态游动后退模式、快速启动模式、急停模式和转弯模式，根据所述运行模式设定微分方程的输入参数为阶跃输入响应时间j;，适应时间z;，互抑系数"，自抑系数6;外部恒定激励输入c,和外部反馈输入《。
6、 根据权利要求1或5的控制方法，其特征在于，根据稳态游动前 进模式、稳态游动后退模式、快速启动模式、急停模式和转弯模式，设定 微分方程的初始值为("i《 <。《f ，其中/ = 1,2,...,10，代表第/个振荡 器，初始值中包含振荡器之间相对的相位关系,/,e分别代表屈肌神经元和伸肌神经元；r为行向量的转置。
7、 根据权利要求1的控制方法，其特征在于，所述中枢模式发生器 模型的基本组成单元采用神经振荡器。
8、 根据权利要求7的控制方法，其特征在于，所述神经振荡器的数学模型为其中，/代表第/个振荡器；7代表第J个振荡器；"为振荡器个数；/,e 分别代表屈肌神经元和伸肌神经元；",为神经元内部状态，v,为神经元疲 劳程；？;为阶跃输入响应时间；r。为适应时间；a为互抑系数；6为自抑系 数；c,为外部恒定激励输入；《为外部反馈输入；x〃用作振荡器间的相互 影响项；^为振荡器间的连接权重，^=1表示相互激励，^=-1表示相互抑止，气=0表示不存在自抑制；y,为振荡器的输出。
9、根据权利要求1的控制方法，其特征在于，所述采用欧拉方法解 出的中枢模式发生器模型微分方程的数值解为其中，<formula>formula see original document page 4</formula>A是欧拉方法迭代计算的步长，/t是欧拉方法迭代计算的步数。
10. 根据权利要求i的控制方法，其特征在于，所述脉宽调制波产生器的输入计数值为式中^是由规范值计算出鳍条的摆动角度为^-arcsin(;/,》；中枢模 式发生器模型的输出振幅值规范化为/,》=,Sii^max;由中枢模式发生器模型微分方程的数值解计算出中枢模式发生器模型的输出振幅值为",；；4是第^个振荡器最大输出信号幅度的估计值，^^是鳍 条的最大摆幅角度，y/o。K)函数用于向上取整，P。是舵机中间位置的脉宽调制波计数值，s是变换尺度系数。
全文摘要
本发明一种仿生长鳍波动推进器运动控制方法，针对不同的长鳍波动推进器运动模式设定相应的控制参数和初始值，依据输入的控制参数和初始值利用欧拉方法迭代求解中枢模式发生器模型微分方程，利用迭代计算过程中中枢模式发生器模型的输出振幅值计算长鳍波动推进器上各鳍条的摆动角度，通过脉宽调制波产生器将摆动角度转化成舵机控制量协调控制长鳍波动推进器上的多个舵机，使长鳍波动推进器产生稳定连续的节律的波动运动，实现前进、后退、急停、转弯和快速启动。该方法简单、可靠，易于实现，计算量较小，能满足长鳍波动推进器多路舵机协调控制的实时性要求。
文档编号B63H1/36GK101609306SQ20081011516
公开日2009年12月23日 申请日期2008年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者硕 王, 翔 董, 民 谭 申请人:中国科学院自动化研究所