专利名称：一种仿鲹科机器鱼倒游运动的控制方法
技术领域：
本发明属于仿生学领域，尤其是一种基于中枢模式发生器(Central PatternGenerator, CPG)的仿鰺科机器鱼倒游运动的控制方法。
背景技术：
在长期的自然选择中，鱼类进化出非凡的游动能力。鱼类的游动不仅推进效率高、机动性好，而且环境适应能力强、隐蔽性好。这些优点是当前水下机器人所无法比拟的，因此，吸引了大量学者研究鱼类的游动机理，希望改善水下潜器的能力，提高效率及机动性，增强稳定性。目前，国内外研究人员已成功研制出众多仿生机器鱼样机，实现了直游、转向、上浮、下潜等动作。但是，针对机器鱼倒游的研究较少。在自然界中，鱼类依靠胸鳍的波动，能够实现身体缓慢后退，而鳗鱼及细长体鱼类可以改变鱼体波的传播方向实现倒游。瑞士洛桑理工大学(EPFL)研制的机器鱼BoxyBot在身体停振的条件下，通过胸鳍旋转180度、·后向拍动来实现倒游。此类倒游方式对胸鳍的依赖性强，对机器鱼样机设计要求高。通常，CPG是指一类存在于无脊椎动物和脊椎动物中枢神经系统中的神经元电路。CPG通过神经元之间的相互抑制，实现自激振荡，产生稳定的节律信号。因此，CPG能够在无节律控制或者反馈输入的情况下，控制生物体的节律行为，例如游泳、呼吸、行走或者飞行等。由于CPG能够产生稳定的节律信号、鲁棒性强、实时性好以及易于调节信号幅值、频率等参量，因此，被广泛应用于机器人的运动控制中。中国科学院自动化研究所采用CPG控制模型实现了机器鱼的直游、转向、潜浮等。鉴于CPG控制方法在产生稳定游动运动方面的优势，本发明将其成功应用于机器鱼的倒游控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿鰺科机器鱼倒游运动的控制方法，实现机器鱼的倒游运动。该方法基于CPG产生机器鱼舵机的控制信号，控制鱼体的波动。通过调整CPG的参数，实现控制信号满足鱼头至鱼尾方向上，相位依次滞后，幅值依次减小。通过鱼体波动，产生后向推进力，实现仿生机器鱼的倒游运动。本发明所提出的一种仿鰺科机器鱼倒游运动的控制方法，其特征在于，该方法通过离散化中枢模式发生器(CPG)模型来产生仿鰺科机器鱼鱼体及尾部相应的驱动舵机的控制信号，以使机器鱼鱼体从鱼头至鱼尾的方向上，鱼体及尾部驱动舵机控制信号的相位依次滞后，幅值依次减小，从而产生后向推进力，使机器鱼倒游；所述离散化CPG模型为
权利要求
1.一种仿鰺科机器鱼倒游运动的控制方法，其特征在于，该方法通过离散化中枢模式发生器(CPG)模型来产生仿鳍科机器鱼鱼体及尾部相应的驱动舵机的控制信号，以使机器鱼鱼体从鱼头至鱼尾的方向上，鱼体及尾部驱动舵机控制信号的相位依次滞后，幅值依次减小，从而产生后向推进力，使机器鱼倒游； 所述离散化CPG模型为
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述机器鱼鱼体及尾部驱动舵机之间的耦合关系为链式耦合关系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述机器鱼鱼体及尾部的每个驱动舵机仅与其相邻的驱动舵机具有耦合关系。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述鱼类的游动满足波动方程 ybody (x, t) = (c^+^x2) sin (kx+ w t), 式中，ybMly表示鱼体的横向位移表示鱼体的纵向位移4表示时间；k表示波长倍数；C1, C2表示鱼体波包络线常数；W表示鱼体波的频率。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述振荡神经元间的耦合系数a”a2，bi，b2取值为零。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述固有幅值mi为所述输出信号Zi(k)的幅值。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，用于对仿鰺科机器鱼倒游运动进行控制的控制系统包括ATmegal28核心控制板、无线通信模块WP300、机器鱼的4个驱动舵机、机器鱼的两侧胸鳍、以及电源模块。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在机器鱼的游动过程中，所述机器鱼的两侧胸鳍保持水平静止，仅起平衡作用，不提供任何推力。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述ATmegal28核心控制板根据离散CPG模型实时在线地产生机器鱼鱼体及尾部驱动舵机的控制信号；所述电源模块用于为机器鱼的核心控制板及驱动舵机供电。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，机器鱼通过所述无线通信模块WP300与上位机进行通信，以通过改变所述离散化CPG模型中的参数Coi，来改变机器鱼的倒游速度。 ·
全文摘要
本发明公开了一种仿鲹科机器鱼倒游运动的控制方法。该方法基于中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)控制机器鱼的游动。首先根据鱼类游动的特征，构建CPG链式网络拓扑结构，以减少CPG参数数量，降低模型复杂度。然后通过合理调整CPG模型的参数，使得CPG模型的输出信号满足在机器鱼鱼头至鱼尾的方向上，机器鱼舵机的控制信号的相位依次滞后，幅值依次减小，从而产生后向推进力，实现机器鱼的倒游。本发明对深入理解鱼类的倒游运动机理具有促进作用，同时为丰富水下机器人的运动模态、提高其机动能力提供指导。
文档编号B63H1/36GK102745320SQ20121026260
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月26日 优先权日2012年7月26日
发明者吴正兴, 喻俊志, 谭民 申请人:中国科学院自动化研究所