基于耦合时间CPG模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法

本发明涉及仿生鱼控制，尤其是涉及基于耦合时间cpg模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法。

背景技术：

1、随着人工智能和机器人技术的快速发展，仿生机器人的应用领域也越来越广。仿生机器人具有较强的环境适应能力，在资源勘探、环境监测等领域具有广阔的应用前景。仿蝠鲼水下航行器结合海洋生物蝠鲼的柔性推进机理，采用中央模式发生器(centralpattern generator，cpg)运动控制模型对航行器进行贴近生物运动行为的控制,使用cpg控制可以模仿蝠鲼的游泳动作和机动性，从而实现航行器游动的多种模态，可以进行广域粗维度、定点细维度的水下观测，适用于海洋环境监测和军事领域的探测。

2、cpg控制方法具有较强鲁棒性，在对其模型参数进行修改时，控制信号可实现顺滑过渡。cpg中常见的相位振荡器模型形式简单且控制参数的物理意义明确，既能控制振荡器输出幅值，又能控制各振荡器单元间的相位差，很好的满足了仿生鱼多运动结构耦合应用方面的需求。因此，仿蝠鲼水下航行器常采用相位振荡器模型来模拟胸鳍结构的节律运动，实现水下多种模态游动。然而传统的基于耦合时间cpg模型输出信号为连续正弦波，与生物本身运动有所不同，且由于仿蝠鲼航行器柔性胸鳍的复杂结构，采用连续正弦波控制输出无法使航行器胸鳍推力最大化，同时胸鳍处于峰值位置时在短时间内换向会增大能耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提出基于耦合时间cpg模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法，能够增大推力输出，降低功耗，提高运动效率；更加贴近生物实际游动特征，提高仿生相似性。

2、为达到上述技术目的，第一方面，本发明的技术方案提供一种基于耦合时间cpg模型，包括：

3、振幅方程、相位方程、输出方程、峰值保持条件、峰值保持时间；

4、

5、其中，第一个方程为振幅方程，ai表示第i个单元的幅值，γi表示控制振幅收敛速度的正常数，ai表示期望振幅，t表示当前时刻，δt表示离散后的时间间隔；第二个方程为相位方程，φi表示第i个单元的相位，fi表示固有频率，ωij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，表示期望相位差；第三个方程为输出方程，θi表示输出值，第四个方程、第五个方程和第六个方程表示为峰值保持条件，ts表示峰值保持时间，ε为允许误差。

6、与现有技术相比，本发明提供的基于耦合时间cpg模型的有益效果包括：

7、本申请的基于耦合时间cpg模型，通过设定合理参数模仿生物实际游动姿态使cpg产生周期性运动，利用胸鳍柔性特征使仿蝠鲼航行器胸鳍被动变形时间增大，使胸鳍推力提高，从而提高仿蝠鲼航行器的推进能力及效率。本发明提高了仿蝠鲼水下航行器胸鳍推力，降低了航行器胸鳍推动能耗，提高了航行器的运动推进性能及效率，延长了航行器的游动距离，同时使得仿蝠鲼航行器游动姿态更接近实际生物，提高了仿生相似性。

8、根据本发明的一些实施例，所述峰值保持时间为1000ms-2000ms。

9、根据本发明的一些实施例，所述峰值保持时间为1660ms。

10、第二方面，本发明的技术方案提供一种基于耦合时间cpg模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法，仿蝠鲼水下航行器包括：左胸鳍装置、右胸鳍装置、控制系统、人机交互模块和六分量天平；

11、所述左胸鳍装置设置有通信连接的第一cpg单元和第二cpg单元，所述右胸鳍装置设置有通信连接的第三cpg单元和第四cpg单元，所述第三cpg单元与所述第二cpg单元通信连接，cpg单元用于产生具有稳定相位关系的周期信号；

12、控制系统，与所述第一cpg单元、所述第二cpg单元、所述第三cpg单元和所述第四cpg单元通信连接，所述控制系统用于控制所述第一cpg单元、所述第二cpg单元、所述第三cpg单元和所述第四cpg单元而实现胸鳍装置周期性运动；

13、人机交互模块，与所述控制系统通信连接，通过所述人机交互模块想所述控制系统发送运动控制指令；

14、六分量天平，与所述控制系统通信连接，所述六分量天平用于实时测量反馈力与力矩信息并发送到所述控制系统；

15、控制方法包括步骤：获取来自人机交互模块的运动控制指令，基于所述运动控制指令和所述控制输入的控制参数以改变所述仿蝠鲼水下航行器的运动状态。

16、根据本发明的一些实施例，所述运动控制指令包括：前游指令、转弯指令和滑扑指令。

17、根据本发明的一些实施例，基于所述运动控制指令和所述控制输入的控制参数以改变所述仿蝠鲼水下航行器的运动状态，包括步骤：通过改变期望振幅、固有频率和期望相位差以改变仿蝠鲼水下航行器的运动状态。

18、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于耦合时间cpg模型，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于耦合时间cpg模型，所述峰值保持时间为1000ms-2000ms。

3.根据权利要求2所述的基于耦合时间cpg模型，所述峰值保持时间为1660ms。

4.一种基于耦合时间cpg模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法，应用了如权利要求1至3中任意一项所述的基于耦合时间cpg模型，其特征在于，仿蝠鲼水下航行器包括：左胸鳍装置、右胸鳍装置、控制系统、人机交互模块和六分量天平；

5.根据权利要求4所述的基于耦合时间cpg模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法，其特征在于，所述运动控制指令包括：前游指令、转弯指令和滑扑指令。

6.根据权利要求5所述的基于耦合时间cpg模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法，其特征在于，基于所述运动控制指令和所述控制输入的控制参数以改变所述仿蝠鲼水下航行器的运动状态，包括步骤：通过改变期望振幅、固有频率和期望相位差以改变仿蝠鲼水下航行器的运动状态。

技术总结
本发明公开了基于耦合时间CPG模型的仿蝠鲼水下航行器控制方法，基于耦合时间CPG模型包括：振幅方程、相位方程、输出方程、峰值保持条件、峰值保持时间；本发明提高了仿蝠鲼水下航行器胸鳍推力，降低了航行器胸鳍推动能耗，提高了航行器的运动推进性能及效率，延长了航行器的游动距离，同时使得仿蝠鲼航行器游动姿态更接近实际生物，提高了仿生相似性。通过设定合理参数模仿生物实际游动姿态使CPG产生周期性运动，利用胸鳍柔性特征使仿蝠鲼航行器胸鳍被动变形时间增大，使胸鳍推力提高，从而提高仿蝠鲼航行器的推进能力及效率。

技术研发人员：曹勇,殷中华,马淑敏,谢钰,郝艺伟,曹永辉,潘光
受保护的技术使用者：西北工业大学宁波研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16