一种流体驱动串并联仿生鱼的变阻抗控制方法
【专利摘要】本发明提供一种流体驱动串并联仿生鱼的变阻抗控制方法，解决了由于水环境动力学引起的非粘性比例阻尼模态解耦问题。步骤如下：1、构造模态解耦矩阵T，2、进行模态坐标变换，3、施加模态空间变阻抗控制律，4、调节各阶模态控制器比例增益矩阵Kp及阻抗增益系数Kf。利用流体驱动并联机构的特点，在模态空间内构造了一种调节模态阻尼的阻抗控制方法，能够有效的消除水环境引起的过阻尼特性，激发仿生鱼的模态谐振，最终实现仿生鱼利用模态共振进行摆动推进的游动机理。本发明不仅物理意义清晰，而且控制方法简单有效。
【专利说明】
一种流体驱动串并联仿生鱼的变阻抗控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水下仿生机器鱼及并联机构领域，具体是一种流体驱动串并联仿生鱼 的变阻抗控制方法。
【背景技术】
[0002] 鱼类经过亿万年的进化，其游动效率之高是人类制造的水下航行器所无法比拟 的。目前生物力学的研究已经表明，鱼类在游动过程中能够调节自身阻抗特性以实现鱼体 的模态谐振，从而利用谐振能量进行游动。因此，从鱼类利用谐振能量实现摆动推进的游动 机理出发研制具有高游动效率的仿生鱼已成为仿生鱼领域的一个研究热点。如专利号为 ZL201210152122.2的专利提出了一种变刚度仿生摆动推进装置，采用多个并联机构串联的 形式构成串并联仿生鱼，利用冗余并联机构的变刚度技术以期实现游动过程中的模态谐 振。然而，水环境动力学引起的过阻尼特性严重抑制模态谐振峰，因此，研究并联机构的变 阻抗控制技术是提高仿生鱼游动效率的关键。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供了一种流体驱动串并联仿生鱼的变阻抗控制方法，是一种 能够消除水环境阻尼影响的流体驱动串并联仿生鱼变阻抗控制方法。
[0004] 本发明采用以下技术方案予以实现:一种流体驱动串并联仿生鱼的变阻抗控制方 法，步骤如下：
[0005] 步骤1:构造模态解耦矩阵T
[0006] (1 · 1):求解二阶特征值问题(MactA2+BactA+Kact) v = 0，获得2η个特征值Ai。其中， Mact，Bact，Kact分别为铰点空间质量阵、阻尼阵及刚度阵。求解方法可采用公知的matlab软件 提供的polyeig函数。
[0007] (1.2):对特征值进行排序。
[0008] 将特征值分为两组:2c个复共辄特征值及2r = 2(n-c)个实特征值。其中：
[0009] 2c个复共辄特征值的排列方式为$4···，Λ^4+.ι二瓦，…，Λλ. = ? ;
[0010] 2r个实特征值的排列方式为{Ac+1〈…<λη<λ η+ε;+1〈…<λ2η}。
[0011] (1.3):特征向量归一化。
[0012] 求解方程：，获得丨所对应的归一化特征向量W，j =1,2, ··· ,n〇
[0014] V=[vi 卜· I vn]，浐.=|v2.B Λ 二虹已区％，…，λη]，3=diag[A,nl，…，弋,,]。
[0015] 步骤2:进行模态坐标变换。具体方法为：
[0016] (2.1):根据支腿压差信号PL构造状态变量
Ck为支腿刚度系数，^为 支腿活塞有效作用面积。
[0017] (2.2):构造模态空间状态变量.
[0018] 步骤3:施加模态空间变阻抗控制律:/ = (心7^) + ；Γ?。
[0019] 其中：i为伺服阀电流输出信号；e为支腿位移偏差信号；。为比例增益阵， ',=心);Kf为阻抗调节增益矩阵，J5：, = diagp/;);
[0020] J； =(Κ? -办)(；1 -』)-1，T2 = (?/1)-1〇
[0021] 步骤4:调节各阶模态控制器比例增益矩阵心及阻抗增益系数Kf。具体方法为：
[0022]
，其中，ξ为各阶模态控制器设 定阻抗阵，l = diag(|i) -(/? + /?);
[0024] 本发明的优点是：
[0025] 本发明通过构造一种新的模态解耦阵，解决了由于水环境动力学引起的非粘性比 例阻尼模态解耦问题。利用流体驱动并联机构的特点，在模态空间内构造了一种调节模态 阻尼的阻抗控制方法，能够有效的消除水环境引起的过阻尼特性，激发仿生鱼的模态谐振， 最终实现仿生鱼利用模态共振进行摆动推进的游动机理。本发明不仅物理意义清晰，而且 控制方法简单有效。
【附图说明】
[0026] 图1为六自由度串并联仿生鱼的结构简图；
[0027] 图2为并联机构的系统方块图；
[0028]图3为模态空间变阻抗控制原理图；
[0029]图4为变阻抗控制器结构图；
[0030] 图5为二自由度串并联仿生鱼的结构简图；
[0031] 图6为变阻抗控制频率特性曲线图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和举例对本发明作进一步说明：
[0033] 实施例1
[0034] 如图1所示，给出了采用串并联形式构成的仿生鱼结构，其基本单元为并联机构， 当并联机构的各支腿采用流体(液压或者气压)驱动时，系统方块图如图2所示。以支腿工作 压力Pl、速度I作为状态变量，则系统状态方程可表述为
[0036] 式中Ck--支腿刚度系数(Pa/m3);
[0037] AP 活塞有效面积(m2);
[0038] Kce--广义流量-压力系数(m3/(s · Pa));
[0039] Kq 流量增益(m3/(s · A));
[0040] i一一伺服阀输入电流(mA)。
[0041 ]令：
[0045]作如下假设：当时，忽略流体系统内泄引起的阻尼Κα/ΑΡ。令 I# =46，状态方程(5-53)改写为二阶振动系统标准形式
[0047] 由于水环境阻尼的影响，式(4)中阻尼项仏。*无法满足粘性比例阻尼条件Bact = a Mact+ffiac；t，因此该系统无法采用经典模态解耦方法进行解耦。
[0048] 为此，本发明采用了一种新的基于相位对齐思想的模态解耦方法，可构造出模态 解耦阵T，使状态空间实现解耦：
[0050] 解耦后的系统状态方块图如图3所示，对于流体驱动系统而言，通过将压力信号反 馈到伺服阀输入端的方式，可实现系统阻尼比的调节。
[0051] 结合流体系统的变阻抗原理及非粘性比例阻尼模态解耦方法，构造的变阻抗控制 策略如图4所示。
[0052] 本发明所提供的变阻抗控制策略不仅适用于六自由度串并联仿生鱼，对于具有少 自由度形式的串并联仿生鱼同样适用，以图5所示的平面二自由度仿生摆动推进装置为控 制对象，变阻抗控制结果如图6所示，可以看到，在未采用阻抗控制之前，系统由于耦合的影 响在游动自由度上呈现出两个模态谐振峰，其中，高阶模态谐振为游动所需要的谐振，而低 阶模态谐振为耦合产生，为消除这一谐振，采用本发明提供的阻抗控制策略，在模态空间中 对低阶模态调节阻抗特性，抑制其谐振，最终实现期望的控制结果。
[0053] 实施例2
[0055]步骤1:构造模态解耦矩阵T。具体方法为：
[0056] a:由公知的11^1:1313软件提供的卩〇15^8函数求解二阶特征值问题(1￡1。1^2+13 ￡1。1；入+ Kact) v = 0，获得2n个特征值λ?。
[0057] λ1,2 = -0·2708±1·6819?，λ3,4 = -0·1792±1·0008?。
[0058] b:对特征值进行排序。
[0059]将特征值分为两组:2c个复共辄特征值及2r = 2(n-c)个实特征值。其中：
[0060] 2。个复共辄特征值的排列方式为{ν.·ΛΑΗ =4..·Α+? =Λ};
[0061 ] 21'个实特征值的排列方式为{^+1〇"<\11<\11+。 +1〇"<\211}。
[0062] 排列后特征值顺序为：人1 = -0.1792 + 1.00081，人2 = -0.2708 + 1.68191，人3 =-0.1792-1.0008?,λ4=-0.2708-1.6819i〇
[0063] c:特征向量归一化。
[0064] 求解方程= ，获得λ」所对应的归一化特征向量Vj，j =1，2,…，n〇
[0065] νι=[0.7328-0.0949i 0.7180+0.0945i]τ,
[0066] V2=[0.7152+0.1634i -0.7118+0.1601i]T
[0067] V3=[0.7328+0.0949i -0.7180-0.0945i]T
[0068] V4=[0.7152-0.1634i -0.7118-0.1601i]T
[0072] 步骤2:进行模态坐标变换。具体方法为：
[0073] a:根据支腿压差信号PL构造状态变量
：k为支腿刚度系数，AP为支腿 活塞有效作用面积。
[0075] 步骤3:施加模态空间变阻抗控制律：/ = ?；_ + 。
[0076] 其中：i为伺服阀电流输出信号；e为支腿位移偏差信号；。为比例增益阵， 心=diag(7V ) :Kf为阻抗调节增益矩阵，A =d:iag(々,)：
[0077] (松-抱):(2-/1广，Γ2 =(闷-以)(；1 -yi)」1。
[0078] 步骤4:调节各阶模态控制器比例增益矩阵心及阻抗增益系数Kf。具体方法为：
[0079]
，其中，ξ为各阶模态控制器设 定阻抗阵，l = diag(|i); i> = -(2.+2); β =..沙 '〇.
[0080]
，其中kq为伺服阀流量系数。
【主权项】
1. 一种流体驱动串并联仿生鱼的变阻抗控制方法，其特征在于，步骤如下： 步骤1:构造模态解禪矩阵T (1 . 1 ):求解二阶特征值问题(MactA2 + BactA+Kact ) V = 0，获得化个特征值λι，其中，Mact， Bact，Ka。*分别为较点空间质量阵、阻尼阵及刚度阵， (1.2) :对特征值进行排序； 将特征值分为两组:2c个复共辆特征值及化=2(n-c)个实特征值，其中： 2c个复共辆特征值的排列方式为片，···ΛΛ,,=东…為，:。=4}:; 化个实特征值的排列方式为{Ac+1<…<λη<λη+Ε+1<…<λ2η}， (1.3) :特征向量归一化， 求解方程：，获得、所对应的归一化特征向量vj，j = l， 2，...，n， d:构造解禪矩阵，:；其中：步骤2:进行模态坐标变换，具体方法为： (2.1) :根据支腿压差信号Pl构造状态变量'ck为支腿刚度系数，Ap为支腿 活塞有效作用面积， (2.2) :构造模态空间状态变量Pd步骤3:施加模态空间变阻抗控制替其中：i为伺服阀电流输出信号;e为支腿位移偏差信号;Κρ为比例增益阵，iTp=diag^. Kf为阻抗调节增益矩阵，A', = ):步骤4:调节各阶模态控制器比例增益矩阵Κρ及阻抗增益系数Kf，具体方法为：，其中，ξ为各阶模态控制器设定阻 抗阵，C = diagKi) 乂.+苗'；i2 = FF，，其中kq为伺服阀流量系数。
【文档编号】G05B13/04GK106094515SQ201610398696
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】田体先, 姜洪洲, 赵慧, 蒋林, 朱建阳, 付婷
【申请人】武汉科技大学