一种基于CPG模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法与流程

本发明涉及机器人运动姿态控制相关技术领域，具体来说，涉及一种基于cpg模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法。

背景技术：

仿生机器鱼用于完成水下探测任务，其在水下运动通过模仿鱼类尾部协调摆动进行游动，因此，需要一种控制仿生机器鱼尾部结构协调运动的控制方法，根据仿生机器鱼具体需要运动到达的目的，尤其是根据外部输入指令，实时调整仿生机器鱼尾部机构的姿态，实现动态闭环控制。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于cpg模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法，可解决根据外部指令实时调整仿生机器鱼的动作姿态。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于cpg模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1根据水下机器人具体尾部机构，构建链式cpg结构模型；

s2通过二阶微分方程来模拟所述尾部机构各关节运动节律：

根据实际输入速度方向档位，在cpg结构模型中计算出各关节的相对转动角度θi；

s3各关节控制系统根据对应的所述相对转动角度θi进行角度闭环控制。

进一步的，在s1中，所述尾部机构为若干关节与连杆构成的链式结构。

进一步的，在s1中，所述尾部机构中关节数量为三个。

进一步的，在s2中，各节运动节律包括参数有固有震荡频率，肌肉的瞬时响应，截止频率。

进一步的，在s3中，关节控制系统包括伺服驱动器和与伺服驱动器连接的伺服电机。

进一步的，在s3中，所述伺服驱动器包括位置处理单元、与所述位置处理单元连接的位置调节器、与所述位置调节器连接的速度调节器，以及分别与所述速度调节器和所述伺服电机连接的电流调节器。

本发明的有益效果：通过对仿生机器鱼尾部机构建立链式cpg结构模型，结合对各关节运动节律的模拟计算，配合各关节的闭环控制，实现对真实鲨鱼游动姿态的模拟，提高了游动效率，同时，cpg简化了对关节间的协调控制，并提高鲨鱼运动的协调性，转向和加速时的灵敏性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种基于cpg模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法的中cpg控制模型的结构框图；

图2是根据本发明实施例所述的一种基于cpg模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法的中仿生结构示意图；

图3是根据本发明实施例所述的一种基于cpg模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法的中各关节控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，根据本发明实施例所述的一种基于cpg模型的仿生水下机器鱼游动姿态规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1根据水下机器人具体尾部机构，构建链式cpg结构模型；本实施例中，将鲨鱼鱼尾简化为三个关节与连杆构成的尾部机构，再加上刚性连杆构建链式cpg结构模型；如图2所示，图中1号曲线为鲨鱼尾部摆动曲线，图中2号曲线为连杆机构对鲨鱼鱼尾拟合后的形状，图中2号曲线上的圆圈3为每个关节的节点。

在本实施例中，链式cpg模型构建根据鱼类控制运动中枢简化而来，链式模型就是每节只受前一关节运动状态影响(两关节要有一定的配合)，关节肌肉特性决定的。

s2通过二阶微分方程来模拟所述尾部机构各关节运动节律：

根据实际输入速度方向档位，在cpg结构模型中计算出各关节的相对转动角度θi；具体cpg公式的微分方程如下：

θi(t)＝xi(t)+ri(t)cos(φi(t))(4)

其中，vi为输入频率，ri为摆动幅度，为尾部机构中后一关节相对于前一关节的相位差，xi为每一关节的初始偏执角(转向和直游用)；

本实施例中，如图2所示，i(i＝1,2,3)为每一关节的摆动参数speed为速度档位，direction为方向档位。实际控制过程中，只需输入速度方向档位，即可通过cpg控制结构映射到对每一关节的相对转动角度θi的控制。

s3各关节控制系统根据对应的所述相对转动角度θi进行角度闭环控制；

本实施例中，如图3所示，由cpg模型可得知对应每个关节的转动角度θi，再此输出基础上，再对伺服电机做实时角度闭环控制，以达到预期s1中仿真曲线的控制目的。

具体的，如图3所示，伺服电机与伺服驱动器间形成多个闭环控制：电流环通过电流反馈实现对电机扭矩(力)的控制，速度环通过转速反馈控制，改变了电流环输入的扭矩，从而达到精准快速的转速控制。位置环就是根据电机输出轴的位置传感器作为反馈，对电机转速实时调节来达到电机转到某一位置的目的，三闭环能在一定程度上提高电机控制效果。

进一步的，在s1中，所述尾部机构为若干关节与连杆构成的链式结构。

进一步的，在s1中，所述尾部机构中关节数量为三个。

进一步的，在s2中，各节运动节律包括参数有固有震荡频率，肌肉的瞬时响应，截止频率。

进一步的，在s3中，关节控制系统包括伺服驱动器和与伺服驱动器连接的伺服电机。

进一步的，在s3中，所述伺服驱动器包括位置处理单元、与所述位置处理单元连接的位置调节器、与所述位置调节器连接的速度调节器，以及分别与所述速度调节器和所述伺服电机连接的电流调节器。

综上，借助于本发明的上述技术方案，通过对仿生机器鱼尾部机构建立链式cpg结构模型，采用极限环做为关节震荡信号，以链式cpg结构作为关节间的配合方式，结合对各关节运动节律的模拟计算，配合各关节的闭环控制，实现对真实鲨鱼游动姿态的模拟，提高了游动效率，同时，cpg简化了对关节间的协调控制，并提高鲨鱼运动的协调性，转向和加速时的灵敏性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。