专利名称：一种快速、精确的仿生机器鱼c形起动的运动控制方法
技术领域：
本发明涉及仿生学领域，尤其是一种快速、精确的仿生机器鱼C形起动的控制方法。
背景技术：
在长期的进化过程中，鱼类形成巡游和快速起动两种基本的运动方式。其中，快速起动是指鱼类从静止或者巡游状态突然加速或改变游动方向的一种运动方式。C形起动属于快速起动方式，主要用于逃避敌害。该方式具有很强的转向机动性，可以在不减速的情况下迅速改变方向。仿生机器鱼的研究具有重要的研究价值和应用前景，特别是在复杂环境中的水下作业、军事侦察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景广阔。仿生机器鱼C形起动方式的研究对于研究鱼类的游动机理，研究和发展水面及水下仿生机器等具有重要的作用。因此，近年来受到越来越多的重视。上世纪70年代，Weihs最早通过研究给出金鱼C形起动的动力学分析。此后，Jing 等人记录了鲫鱼和鲶鱼的C形起动的整个过程，得出在C形起动过程中尾鳍具有关键性作用的结论。Wohl和khuster的研究表明鱼类的C形起动是非常精准的，且直线速度最大可达每秒20个身长，转向速度的峰值可达4500° /s。目前，国内外许多机器人领域的专家与学者分别设计、制造仿生机器鱼来模仿鱼类运动，研究鱼类的游动机制。Liu和Hu设计制造的四关节机器鱼，模仿鱼类C形起动方式，可以达到最大旋转角度为120° /s。Yu设计的多关节机器鱼，通过优化旋转控制参数和特征，同样获得了 120° /s的最大旋转角度。但是，两人在机器鱼C形起动的伸展阶段，均采用了减小关节转动速度的方法，以减小对关节角的影响。这样，会延长伸展阶段的时间， 从而减慢C形起动速度。
发明内容
本发明的目的是设计一种快速、精确的仿生机器鱼C形起动的运动控制方法，使仿生机器鱼快速、精确的C形起动。根据BCF(body and/or caudal fin，鱼体尾鳍推进式)鱼类C形起动分为弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段三个阶段，本发明针对每一阶段提出相应的理论方法。在弯曲阶段，根据不同鱼类的游动机理，提出了小尾鳍模型和大尾鳍模型；在保持阶段，提出动态轨迹跟踪算法；在伸展阶段，提出机器鱼C形转向过渡到前向游动的算法。针对机器鱼的游动控制，本发明设计出相应的闭环控制方法来优化机器鱼C形起动时三个阶段的过渡，减小机器鱼转向时水流对鱼体产生的反冲力，控制鱼体转动关节的关节转角，以获得相对精确的起动。本发明将为尾鳍驱动的多关节仿生机器鱼的理论设计提供参考，实现灵活、机动的游动控制。
图1是仿生机器鱼的系统坐标系示意图。图2是仿生机器鱼小尾鳍模型和大尾鳍模型的示意图。图3是仿生机器鱼保持阶段关节转角示意图。图4是仿生机器鱼伸展阶段示意图。图5是仿生机器鱼高层次控制方法示意图。图6是仿生机器鱼低层次闭环控制结构图。图7是仿生机器鱼C形起动180°转向实验视频截图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1是仿生机器鱼的系统坐标系示意图，如图1所示，Jtl表示机器鱼鱼喙，Ji (i = 1,2,... ,η)表示机器鱼的η个关节，Jn+1表示机器鱼的尾鳍节点，Li (i = 0，1，· · ·，η)表示机器鱼的η+1个体段，其中Ltl表示机器鱼的头部，Ln表示机器鱼的尾鳍。本发明所涉及的系统坐标系的原点建立在关节J1处，χ轴方向始终为鱼头的反方向，y轴方向与χ轴方向垂直。本发明所提出的快速、精确的仿生机器鱼C形起动的运动控制方法，具体为对于仿生机器鱼C形起动的三个阶段即弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段，分别进行控制的方法， 所述控制方法具体包括以下步骤步骤1，在仿生机器鱼C形起动的弯曲阶段，对于具有较小尾鳍的鱼类，建立小尾鳍模型，对于具有较大尾鳍的鱼类，建立大尾鳍模型。在仿生机器鱼C形起动的弯曲阶段，仿生机器鱼由直线形态变成曲线形态，弯曲阶段的目的是使机器鱼鱼体迅速转向目标方向。在该阶段，影响鱼体弯曲的因素主要包括鱼的游动速度和水流对鱼体的作用力。而水流的作用力与鱼体的作用面积密切相关，不同鱼类具有不同的作用面积，因此，根据不同鱼类的形体特征和游动机理，本发明在该阶段设计出小尾鳍模型和大尾鳍模型。(1)小尾鳍模型小尾鳍模型以鳗科鱼类为代表，适合具有较小尾鳍的鱼类。图 2(1)是仿生机器鱼小尾鳍模型示意图，如图2(1)所示，较小的尾鳍与水流作用面积小，只能产生很小的推动力，导致C形起动速度慢。为克服这一缺陷，此类鱼通过伸直后段鱼体， 来增大与水流的作用面积，从而加快起动速度。基于该情况建立的小尾鳍模型，特征是机器鱼开始C形起动时，关节Ji依顺序依次开始转动；每个关节Ji都有转角限制θ ρ当关节Ji 转动到达转角限制θ i后，下一关节Jw开始转动，当前一关节转动的时候，其后所有的关节 (包括尾鳍关节)始终保持直线状态，且该直线通过机器鱼的质心。( 大尾鳍模型大尾鳍模型以鰺科鱼类为代表，适合具有较大尾鳍的鱼类。图 2(11)是仿生机器鱼大尾鳍模型示意图，如图2(11)所示，此类尾鳍与水流的作用面积大， 可产生大的作用力。因此，尾鳍提供主要的推进力。基于该情况建立的大尾鳍模型，特征是机器鱼开始C形起动时，除尾鳍外，其余关节Ji均开始转动，但每个关节Ji都有转角限制
在整个转动过程中，只有尾鳍所在体段保持通过机器鱼的质心cM(q.)，其他关节Ji可以在关节转角限制的范围内同时转动。
另外，小尾鳍模型与大尾鳍模型的关节转角限制是有区别的小尾鳍模型的转角限制θ ^衣次减小；而大尾鳍模型的转角限制θ i则是相等的。其中，转动关节的转角限制指转动关节所能转动的最大角度，是根据关节舵机的参数性质，以及机器鱼本身动作的限制， 来设定的具体数值。本实例的四个关节的转角限制分别设置为小尾鳍模型85°，85°， ；35°，0° ；大尾鳍模型 50°，50°，50°，50°。步骤2，通过设置小尾鳍模型与大尾鳍模型的各转动关节的转角限制和被动转动关节的关节转角来使仿生机器鱼达到C形，从而控制机器鱼在C形起动的弯曲阶段的运动。机器鱼的被动转动关节的关节转角是指被动转动关节所在体段与前一关节所在体段间的夹角。小尾鳍模型与大尾鳍模型的关节转角的计算方式是相同的，均采用下述方法步骤2. 1，计算关节Ji+1的坐标Ow yi+1)
权利要求
1.一种仿生机器鱼C形起动的运动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 步骤1，在仿生机器鱼C形起动的弯曲阶段，对于具有较小尾鳍的鱼类，建立小尾鳍模型，对于具有较大尾鳍的鱼类，建立大尾鳍模型；步骤2，通过设置小尾鳍模型与大尾鳍模型转动关节的转角限制和被动转动关节的关节转角来使仿生机器鱼达到C形；步骤3，在仿生机器鱼C形起动的保持阶段，基于动态轨迹跟踪算法重新设置每个转动关节的关节转角，以减小机器鱼受到的水的反冲力；步骤4，在仿生机器鱼C形起动的伸展阶段，根据鱼体波公式来设置转动关节的位置， 以使机器鱼伸展开来。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器鱼包括鱼喙Jpri个关节Ji,i = 1,2, ... , η、尾鳍节点Jn+1、n+1个体段Li, i = 0，1，...，n，其中，Ltl表示机器鱼的头部，Ln 表示机器鱼的尾鳍。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的小尾鳍模型为机器鱼开始C形起动时，关节Ji依顺序依次开始转动，每个关节Ji都有转角限制Gi，转角限制9 4衣次减小，当关节Ji转动到达转角限制θ i后，下一关节Jw开始转动，当转动关节转动的时候，其后所有不转动关节始终保持直线状态，且该直线通过机器鱼的质心。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的大尾鳍模型为机器鱼开始C形起动时，除尾鳍外，其余关节Ji均开始转动，但每个关节Ji都有转角限制θ ρ转角限制θ i是相等的，在整个转动过程中，只有尾鳍所在体段保持通过机器鱼的质心，其他关节Ji在关节转角限制的范围内同时转动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中转动关节的关节转角限制是给定具体角度值，被动转动关节的关节转角的计算进一步包括以下步骤，假设现在的转动关节为Ji 步骤2. 1，计算关节Ji+1的坐标(xi+1，yi+1)
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中基于动态轨迹跟踪算法重新计算每个转动关节的关节转角进一步为根据下面的约束条件来得到转动关节Jw的新的关节转角即关节段与/;+r/;+2间的夹角θ ‘ 1+1
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于计算转动关节的位置的鱼体波公式为
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用高层次闭环控制方法来控制弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段的切换，使用低层次闭环控制方法来控制转动关节的转角。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高层次闭环控制方法进一步包括以下步骤步骤5. 1，机器鱼在前向游动时，接收到转向命令后，立刻停止当前的鱼体波动，进入C 形起动的弯曲阶段；步骤5. 2，在弯曲阶段，当机器鱼的头部转到目标方向后，机器鱼的游动由弯曲阶段进入保持阶段；步骤5. 3，在保持阶段，机器鱼调整鱼体方向到目标方向，之后进入伸展阶段； 步骤5. 4，在伸展阶段，机器鱼调整鱼体形状，由原来的C形变成S形，以鱼体的S形波动产生前向推动力，开始前向游动。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述低层次闭环控制方法进一步为根据期望转动的角度与实际转动的角度的偏差角度基于比例-积分-微分(PID)算法来调节机器鱼的转动速度在弯曲阶段的开始环节，偏差角度较大，通过PID算法产生大的转动速度；在弯曲阶段的结束环节，转动速度较高，通过PID算法，根据已经减小的偏差角度，减小机器鱼的转动速度；在伸展阶段的开始环节，转动速度较高，通过PID算法，根据较小的偏差角度，继续抑制转动速度。
全文摘要
本发明公开了一种快速、精确的仿生机器鱼C形起动的运动控制方法。BCF(body and/or caudal fin，鱼体尾鳍推进式)鱼类C形起动分为弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段三个阶段。在弯曲阶段，针对不同鱼类的形态特征和游动机理，本发明提出小尾鳍模型和大尾鳍模型；在保持阶段，本发明提出动态轨迹跟踪算法，建立约束条件，求取机器鱼各关节的关节转角；在伸展阶段，结合鱼体波理论，计算各个关节的位置坐标，控制机器鱼各关节的转动。同时，本发明设计出高低两层次闭环控制方法，用于优化机器鱼C形起动时三个阶段的过渡，控制机器鱼各关节的关节转角，实现仿生机器鱼灵活、快速、精确的C形起动。
文档编号G05B13/04GK102411307SQ20111039070
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者吴正兴, 喻俊志, 苏宗帅, 谭民 申请人:中国科学院自动化研究所