专利名称：基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法
技术领域：
本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是一种基于重心改变的仿生 机器鱼深度控制方法。
背景技术：
随着海洋开发事业的发展，水下机器人吸引了人们的注意。水下机 器人可以代替人类完成大量任务，例如海洋资源的勘探、水下救捞等。 随着应用场合复杂性和任务多样化的增加，人们希望水下机器人的能 力能够进一步提高，加速了水下机器人研究的进程。受鱼类具有高效、 高机动性、高度适应性的启发，在深入探讨其运动模式、特点、机理 的基础上，结合控制、电子、材料、机械等学科，将仿生学原理应用 于水下机器人的研发、设计过程中，近年来受到关注。通常，把基于 鱼类解剖学结构特点和游动方式的水下机器人称为仿生机器鱼。目前， 很多国家的科研机构都在仿生机器鱼机构以及感知、驱动等方面开展 研究，产生了一批实验样机。在国内，哈尔滨工程大学、北京航空航 天大学、中科院沈阳自动化研究所、北京大学、中科院北京自动化研究所等也开展了一系列研究工作。
为了提高任务的环境适应性，需要仿生机器鱼具有水中的三维运动 能力，也就是需求仿生机器鱼能够上浮下潜。常用的浮潜方案包括 储水仓法、胸鳍法、身体形状改变法以及重心改变法等。这几种方法 在机构复杂性和控制效果上有差异，各有优缺点。从己有的研究工作 看来，大部分仿生机器鱼选用胸鳍法，其它方式也有应用，同时大多 数研究集中于浮潜运动的实现，对于实时调整仿生机器鱼姿态使其维 持在某一深度的研究相对较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方 法，使仿生机器鱼可以维持某深度运动，达到令人满意的控制精度。 为实现上述目的，本发明的技术解决方案是
一种基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法，是用于安装有重心 改变装置的仿生机器鱼，其利用重心改变装置，借助仿生机器鱼的推 进力，在前进中实现上浮、下潜以及深度控制；
包括步骤
A、 根据压力传感器提供的信息计算当前深度力；
B、 结合给定深度^，计算深度偏差e，偏差变化率de，偏差积分ie， 进而计算PID控制器的输出《；
C、 计算深度引起的形变补偿量cx;
D、 将B步的输出《与C步的深度引起的形变补偿量a相结合，得到重心改变的控制量，计算出仿生机器鱼深度控制的输出0; E、控制重心改变装置的配重块前移或后移。
所述的基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法，其所述算法是 实时计算的。
所述的基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法，其所述算法C
步中计算深度引起的形变补偿量C7，是对由深度引起的仿生机器鱼尾
部的体积形变进行补偿。
所述的基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法，其所述深度引 起的形变补偿量a是深度的线性函数。
本发明可有效的避免深度给仿生机器鱼带来的影响，可实现精确 的控制，为仿生机器鱼在水下监控、海洋领土的防御、海洋资源的勘 探、水下救捞等方面的应用提供技术保障。
图l是重心改变装置的原理图2是带深度补偿的PID控制框图3是机器鱼俯仰稳态受力分析；
图4是仿生机器鱼保持水深30cm时的深度变化曲线。
具体实施方式
重心改变装置的原理如图l所示，在尾部推进的配合下，通过舵机 1带动配重块2向鱼头部方位转动，重心前移，仿生机器鱼下潜，反之， 仿生机器鱼上浮。
仿生机器鱼深度运动控制为非线性系统，游动过程中存在很多不 确定因素，同时，仿生机器鱼波动和身体弯曲会改变推进力进而对运 动造成影响，系统辨识困难，从工程的角度讲，需要给出一个切实可 行的控制方法来实时实现仿生机器鱼的深度保持。PID是一个广泛使用 的控制器，可以在对象不完全清楚的情况下，通过调节三个参数对被
控对象进行控制。但是，单纯的PID控制无法实现令人满意的运动效
果，分析发现最主要的原因是仿生机器鱼在水下运动时鱼体尾部柔软 橡胶蒙皮的变形会引起体积的变化。仿生机器鱼尾部是用柔软的橡胶 皮套管整体密封，因此深度发生变化的时候，尾部的体积会因为水压 的变化，有微小的形变。尽管该形变比较小，对于仿生机器鱼运动姿 态的影响也比较小，但由于深度和速度是积分关系，因而随着时间的 增加，误差被积累，从而会引起深度的加大误差。故需要对形变进行
补偿以改善控制的效果。带深度补偿的PID控制框图如图2所示。其 中，/是设定的仿生机器鱼尾部摆动频率，推进仿生机器鱼在水中前行， A,…^是尾部/7个电机的转角；力,是给定深度，力是根据仿生机器鱼压 力传感器得到的实际当前深度，e为深度偏差；《是PID控制器输出的 配重块偏角，a是深度引起的形变补偿量，配重块偏角^ =《+ ￡7为仿生 机器鱼深度控制的输出。 1.计算当前深度力通过压力传感器提供的信息，仿生机器鱼计算出当前深度。
2. 计算PID控制器的输出《
结合给定深度力,，计算深度偏差e，偏差变化率de，偏差积分ie。 第A个控制周期，= /^)、 =e("l)、 &W = |>(/)。
,=0
PID控制器的输出，即配重块偏角表示为+A/"A:) + ^^("， 其中，、,A,/^分别为比例、积分和微分三个参数。
3. 计算深度引起的形变补偿量cr
仿生机器鱼尾部的体积因为水压而轻微的变小，浮力随之减小， 为了便与分析，引进浮力变化量AF-F。-&，其中F。是仿生机器鱼在 水面时受到的浮力，i^是在当前受到的浮力。由图3，力矩平衡方程
可以写为
Mg (D2 cos <2' - d0 sin a') + AF/ sin a'
=mg.[(Z^ — r sin 。 cos a' —(r — r cos 。 since' + c/0 sin a']
其中，m是配重块的质量，M是机器鱼除了配重块部分的质量，0为配
重块偏角，a'为仿生机器鱼配重块偏角为P的时候的俯仰角。
从而得到
丄 . m'r sine — AFZ/g tan a =-2-
(M + d0 — m.广(1 一 cos 也就是说浮力变化的时候，a发生变化。压力引起的重心变化仍 然需要利用配重块的变化来补偿，就是在改变配重块的位置0为 "=0 + (7使得仿生机器鱼仍然保持设想的姿态，即"-"，其中a是配 重块偏角为0且不计浮力变化的时候的俯仰角，即tana
于是:
m ■ r sin ^ (M + ;77)' d0 - w /- (1 — cos
柳.r, sin ^ — AF// g
(A/ +. d0 — m. r (1 — cos 6) (M +* d。 一 m. r. (1 — cos 6)
考虑到俯仰角《的变化是个较小量，对应的e的变化也是小:
o"是小量，可以解得
j AF/ 力，A尸/ 腊 A尸/ /m c/m--h c M--r附-+ r附-cos(0)
g_g g g_
:，即
a* =-
由于该补偿量主要是在平衡状态时发挥作用，故在^ — o的条件下
化简，得(7^AF〃wg。利用理想气体方程得到么7 =
w灯"灯
，其中^
S 尸。
是与尾部相通的所有空气的体积，AF是这部分体积的变化。p是水的
密度，T和P。都是初始配重块时的温度和压强。《=/^/7 +尸。，于是
cr = = AF/ g/ /附rg = 2
附^
尸 户 ，
乂 。 乂
利用泰勒级数展开得到:
p歸r
/"灯
附rg /"灯
「尸) r。一l厂o-2「尸、-3
1
「 p 、 厂o-2 )
Ug」
其中，&=-^^为形变补偿系数<4.计算仿生机器鱼深度控制的输出即配重块偏角0 第A个控制周期的输出e计算如下 6/(A:) = 6。 (" + cr("=++尺0婦)+ i^(&)。
实施例
本发明所提供的基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法应用于一 个仿鰺科鱼类的三关节仿生机器鱼的控制中。使用重138g的铜滑块和 GWS Naro舵机制作了重心改变装置。仿生机器鱼长0. 41米，重890g， 三个关节分别由三个舵机控制。深度控制方法运行在机器鱼内部的微 控制器ATmegal28上，当前深度由Honeywell 40PC015传感器提供， PID控制器参数/^、 i^和i^分别为20， 10和0.01。采用本发明所提
供的基于重心改变的深度控制方法，仿生机器鱼实现定深度运动且效 果令人满意，保持水深30cm时的仿生机器鱼运动过程中深度变化曲线 如图4所示。
权利要求
1.一种基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法，是用于安装有重心改变装置的仿生机器鱼，其特征在于，利用重心改变装置，借助仿生机器鱼的推进力，在前进中实现上浮、下潜以及深度控制；包括步骤A、根据压力传感器提供的信息计算当前深度h；B、结合给定深度hd，计算深度偏差e，偏差变化率de，偏差积分ie，进而计算PID控制器的输出θα；C、计算深度引起的形变补偿量σ；D、将B步的输出θα与C步的深度引起的形变补偿量σ相结合，得到重心改变的控制量，计算出仿生机器鱼深度控制的输出θ；E、控制重心改变装置的配重块前移或后移。
2. 如权利要求1所述的基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法， 其特征在于，所述算法是实时计算的。
3. 如权利要求1所述的基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法，其特征在于，所述算法C步中计算深度引起的形变补偿量C7，是对由深度引起的仿生机器鱼尾部的体积形变进行补偿。
4. 如权利要求1或3所述的基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方 法，其特征在于，所述深度引起的形变补偿量a是深度的线性函数。
全文摘要
本发明基于重心改变的仿生机器鱼深度控制方法，涉及仿生机器鱼技术，是利用某种重心改变装置，借助仿生机器鱼的推进力，在前进中实现上浮、下潜以及深度控制。根据压力传感器计算当前深度信息h，结合指定深度h<sub>d</sub>，计算深度偏差e，偏差变化率de以及偏差积分ie，得到PID控制器的输出θ<sub>a</sub>，将该输出与深度引起的形变补偿量σ相结合，得到重心改变的控制量，通过实时的调整使得仿生机器鱼保持在一定深度。本发明将有效的避免深度给仿生机器鱼带来的影响，可实现精确的控制，为仿生机器鱼在水下监控、海洋领土的防御、海洋资源的勘探、水下救捞等方面的应用提供技术保障。
文档编号G05D1/00GK101315563SQ20071009986
公开日2008年12月3日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者超 周, 曹志强, 硕 王, 翔 董, 民 谭 申请人:中国科学院自动化研究所