專利名稱：仿生機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及仿生機(jī)器魚(yú)運(yùn)動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：
水下推進(jìn)器在海洋生物觀察、海底探險(xiǎn)、海洋救撈、檢測(cè)油罐漏油、管道檢測(cè)、以及軍事方面的應(yīng)用日益增加。傳統(tǒng)的螺旋槳在水中游動(dòng)時(shí)，在它的側(cè)面會(huì)產(chǎn)生渦流，降低物體的運(yùn)動(dòng)速度，增加動(dòng)力的消耗，且有噪聲。與水下推進(jìn)器相比，魚(yú)有驚人的游動(dòng)能力。觀察發(fā)現(xiàn)，魚(yú)的游動(dòng)具有無(wú)噪聲，高推進(jìn)效率，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此仿魚(yú)推進(jìn)器的研究成為一個(gè)重要的研究課題。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，出現(xiàn)了模仿魚(yú)運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)。從1994年美國(guó)麻省工學(xué)院成功研制的世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚(yú)到2005年英國(guó)Essex大學(xué)研制的世界第一條具有自主控制能力的機(jī)器魚(yú)，機(jī)器魚(yú)已經(jīng)具備有阻力小的外形、實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎，自主蔽障等特點(diǎn)，因此，以魚(yú)的推進(jìn)模式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)被認(rèn)為是未來(lái)水下運(yùn)載器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，日益引起各國(guó)的重視，以美國(guó)、日本和英國(guó)為代表的許多國(guó)家積極開(kāi)展對(duì)機(jī)器魚(yú)的研究，使得機(jī)器魚(yú)飛速發(fā)展。但是機(jī)器魚(yú)要達(dá)到實(shí)用還存在一些問(wèn)題目前還沒(méi)有柔軟而有力的驅(qū)動(dòng)器，要實(shí)現(xiàn)s-形轉(zhuǎn)彎，快速啟動(dòng)，快速制動(dòng)，在下潛過(guò)程中快速穩(wěn)定的懸浮在水中，加之不知魚(yú)是怎樣控制渦流推進(jìn)，不能預(yù)測(cè)給定一個(gè)命令，機(jī)器魚(yú)將會(huì)做出什么樣動(dòng)作等等，并且在控制機(jī)器魚(yú)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)存在轉(zhuǎn)彎半徑，機(jī)器魚(yú)的轉(zhuǎn)彎半徑是影響其機(jī)動(dòng)性的重要因素，有半徑轉(zhuǎn)彎的機(jī)器魚(yú)改變方向的同時(shí)客觀的改變了位置，不能單獨(dú)改變方向。很難在水下探測(cè)或水下考古中實(shí)現(xiàn)原位旋轉(zhuǎn)觀察。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，控制機(jī)器魚(yú)轉(zhuǎn)彎時(shí)存在轉(zhuǎn)彎半徑，很難在水下實(shí)現(xiàn)原位旋轉(zhuǎn)的上述缺陷，提出一種控制仿生機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎，在水下實(shí)現(xiàn)原位旋轉(zhuǎn)的方法。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎控制方法所采用的技術(shù)方案是，以機(jī)器魚(yú)質(zhì)心點(diǎn)為原點(diǎn)，通過(guò)水的反作用力形成力偶，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)以質(zhì)心為原點(diǎn)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎。具體包括如下步驟，確定機(jī)器魚(yú)質(zhì)心點(diǎn)，建立機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；將機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)化，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)每時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度；在存儲(chǔ)器中建立魚(yú)尾關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系列表；控制電路通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)修改神經(jīng)元控制器的加權(quán)系數(shù)，使加權(quán)系數(shù)的修正沿著旋轉(zhuǎn)角度誤差的平方的減小方向，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的最優(yōu)控制，驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)從魚(yú)尾關(guān)節(jié)開(kāi)始擺動(dòng)，通過(guò)水的推力F形成力偶，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)以質(zhì)心為原點(diǎn)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎。水的推力F的方向垂直于魚(yú)體，幅度正比于被帶動(dòng)的流體的附加質(zhì)量ma(l)和其機(jī)器魚(yú)在垂直方向的加速度a(l，t)。建立機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的步驟為，在二維平面以機(jī)器魚(yú)體上的質(zhì)心點(diǎn)為圓點(diǎn)O建立一個(gè)坐標(biāo)系，建立以魚(yú)尾的彎曲半徑Rc為半徑，正切于x軸的圓，其方程為x2+(y-Rc)2＝Rc2。根據(jù)水的密度ρω、魚(yú)的高度h確定附加質(zhì)量ma(l)。根據(jù)機(jī)器魚(yú)旋轉(zhuǎn)的角速度，有效阻力面積，確定機(jī)器魚(yú)所受到的水的阻力。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明是機(jī)器魚(yú)運(yùn)動(dòng)控制中急轉(zhuǎn)彎技術(shù)的研究，與c形和s形急轉(zhuǎn)彎不同之處在于提出了一種機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎的控制方法。控制仿生機(jī)器魚(yú)原地?zé)o半徑轉(zhuǎn)彎，在改變方向時(shí)不影響位置的改變，使機(jī)器魚(yú)更加靈活，可以很好地控制某個(gè)位置上方向的改變，能實(shí)現(xiàn)水下原地探測(cè)或水下考古中的原地?cái)z影。



圖1機(jī)器魚(yú)的質(zhì)心確定的正視示意圖 圖2機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制流程圖 圖3a 4關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)曲線擬和理論魚(yú)體波動(dòng)曲線示意圖 圖3b機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線示意圖 圖4兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造控制器 圖5仿生機(jī)器魚(yú)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型 圖6虛擬機(jī)器魚(yú)原地轉(zhuǎn)彎的序列 圖7仿生機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎旋轉(zhuǎn)軌跡
具體實(shí)施例方式 魚(yú)的游動(dòng)方式分為兩類周期性的運(yùn)動(dòng)是以不同的速度循環(huán)運(yùn)動(dòng)，適合長(zhǎng)距離巡航；非周期的運(yùn)動(dòng)則包括跳、鉆孔、飛、噴氣式推動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎、啟動(dòng)、制動(dòng)、滑行等。通常將機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)分為多種基本行為 1.巡航機(jī)器魚(yú)沿著一條直線以恒速，加速或減速運(yùn)動(dòng)。
2.巡航中轉(zhuǎn)彎在直航速度不為零的情況下，轉(zhuǎn)彎。
3.急轉(zhuǎn)彎突然有個(gè)角加速度。
4.快速啟動(dòng)以很大的加速度啟動(dòng)。
5.快速制動(dòng)以很大的加速度快速制動(dòng)。
6.滑行機(jī)器魚(yú)身體成為直線不用動(dòng)力向前滑行。
7.上浮下潛 有半徑轉(zhuǎn)彎的仿生機(jī)器魚(yú)不能實(shí)現(xiàn)在原位改變方向，即要改變方向，位置就改變了，而無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎則可以單獨(dú)改變機(jī)器魚(yú)的方向而不改變機(jī)器魚(yú)的位置。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體描述。本發(fā)明仿生機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎的控制以機(jī)器魚(yú)質(zhì)心點(diǎn)為原點(diǎn)，通過(guò)水的反作用力形成力偶，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)以質(zhì)心為原點(diǎn)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎。
首先確定機(jī)器魚(yú)質(zhì)心點(diǎn)對(duì)于上下對(duì)稱，前后對(duì)稱的機(jī)器魚(yú)。那么確定質(zhì)心點(diǎn)就是確定左右方向的質(zhì)心在哪。對(duì)于地球上體積不太大的物體，重心與質(zhì)心的位置是重合的?？刹捎脿恳▽ふ曳律鷻C(jī)器魚(yú)的重心，當(dāng)物體受三個(gè)力作用處于平衡狀態(tài)時(shí)，這三個(gè)力的作用線必相交于一點(diǎn)。如圖1所示為確定機(jī)器魚(yú)質(zhì)心的正視示意圖，將機(jī)器魚(yú)的一端用細(xì)繩AB懸掛起來(lái)，另一端用彈性細(xì)繩CD緩慢拉起到一適當(dāng)位置，分別畫(huà)出AB、CD的延長(zhǎng)線，并相交于E點(diǎn)，E點(diǎn)的正上方O點(diǎn)就是機(jī)器魚(yú)的重心。
如圖2所示為機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎的控制流程圖。首先將機(jī)器魚(yú)尾關(guān)節(jié)化，關(guān)節(jié)越少越容易控制，同時(shí)剛性越強(qiáng)，柔性越差；關(guān)節(jié)越多，柔性越強(qiáng)，但控制越復(fù)雜，應(yīng)同時(shí)考慮兩者以達(dá)到所要求的條件。每個(gè)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度，主要依靠電機(jī)的尺寸。
給定機(jī)器魚(yú)每個(gè)關(guān)節(jié)的最大、最小旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度{θj_max，speed，θj_min}，通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度控制計(jì)算模塊計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)每時(shí)刻要旋轉(zhuǎn)的角度θ，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，控制處理器采用PWM脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)，使魚(yú)尾旋轉(zhuǎn)，通過(guò)位置反饋信號(hào)判斷是否達(dá)到要控制的位置，達(dá)到了進(jìn)入下一個(gè)控制環(huán)節(jié)，未達(dá)到，經(jīng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器進(jìn)行控制，使其旋轉(zhuǎn)達(dá)到預(yù)定位置。
根據(jù)理論魚(yú)體波動(dòng)曲線擬和關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)曲線確定機(jī)器魚(yú)的各關(guān)節(jié)位置。
以下以4關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)為例對(duì)機(jī)器魚(yú)的關(guān)節(jié)化過(guò)程進(jìn)行具體說(shuō)明，如圖3a所示為4關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)曲線擬和理論魚(yú)體波動(dòng)曲線。為使實(shí)際機(jī)器魚(yú)的關(guān)節(jié)曲線與理論魚(yú)體波動(dòng)曲線誤差最小，應(yīng)使其兩曲線之間的面積最小。
將機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)化，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度；在存儲(chǔ)器中建立魚(yú)關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系列表。
圖3b為機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線示意圖。
控制處理器中算法模塊計(jì)算某一時(shí)刻兩曲線之間面積的誤差為 其中i為離散的時(shí)刻，j＝1，2，3，4為關(guān)節(jié)數(shù)。
根據(jù)誤差eij最小求出關(guān)節(jié)的坐標(biāo)值。
誤差最小 (2) 其中 gij(x)＝kijx+bij，bij＝b_yij-kijb_yij(4) 式中f(x)為機(jī)器魚(yú)轉(zhuǎn)彎的理論曲線；gij(x)為每一時(shí)刻每一關(guān)節(jié)的直線表達(dá)式；(b_xij，b_yij)為每一關(guān)節(jié)的起點(diǎn)坐標(biāo)；(e_xij，e_yij)為每一關(guān)節(jié)的終點(diǎn)坐標(biāo)。
約束條件 Lj為每一關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度。
通過(guò)上式計(jì)算出最大時(shí)刻和最小時(shí)刻每個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)(x，y)。
根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的最大、最小旋轉(zhuǎn)角度{θmax，θmin}，中心控制處理器首先輸出{θmax，speed，θmin}給旋轉(zhuǎn)角度控制計(jì)算器，旋轉(zhuǎn)角度控制計(jì)算器精確的計(jì)算機(jī)器魚(yú)中間節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度θ的值，在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，控制處理器根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度θ的值控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)體轉(zhuǎn)動(dòng)。
其中k為角度的修正值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到；tl機(jī)器魚(yú)尾關(guān)節(jié)擺動(dòng)到最大角度的時(shí)間；θmax為機(jī)器魚(yú)尾關(guān)節(jié)擺動(dòng)的最大角度；θmin為機(jī)器魚(yú)尾關(guān)節(jié)擺動(dòng)的最小角度，也就是擺動(dòng)的開(kāi)始角度。這樣的話，4關(guān)節(jié)的機(jī)器魚(yú)僅僅需要控制15個(gè)參數(shù)，{θi_max，speedi，θi_min}，i＝1，2，3，4，ψj j＝1，2，3為伺服電機(jī)之間的相位差。
通過(guò)精確的擬合θ(t)曲線，確定各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)位置，計(jì)算關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)尾擺動(dòng)。通過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字PID控制，根據(jù)每時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)從魚(yú)尾關(guān)節(jié)開(kāi)始擺動(dòng)，機(jī)器魚(yú)尾彎曲產(chǎn)生推力。魚(yú)尾擺動(dòng)產(chǎn)生的推力和水的反作用力推動(dòng)機(jī)器魚(yú)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎。
數(shù)字PID控制算法為 PID調(diào)節(jié)的原理就是通過(guò)設(shè)置合適的PID參數(shù)，使實(shí)際輸出值快速平穩(wěn)地收斂或者逼近于期望輸出值。為了實(shí)現(xiàn)在線修正PID參數(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法，PID參數(shù)可由網(wǎng)絡(luò)本身根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的改變而在線地修正，其具體方法如下 根據(jù)式(8)，可用一個(gè)如圖4所示的兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造控制器，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)進(jìn)行自校正。X1＝e(k) 網(wǎng)絡(luò)輸入層為X3＝e(k)-e(k-1) 網(wǎng)絡(luò)輸出層為U＝W1X1+W2X2+W3X3 (9) 式中e(k)為輸入量與反饋量代數(shù)之和，即誤差量；X1，X2，X3為誤差量的代數(shù)和；W1，W2，W3為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)，表示PID的三個(gè)參數(shù)。其中，{Wi}為權(quán)系數(shù)，從表達(dá)式可看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有PID控制器結(jié)構(gòu)，其權(quán)系數(shù)就等于PID控制器的三個(gè)參數(shù)，控制器的任務(wù)就是調(diào)整控制量u(k)(關(guān)于角度誤差量的代數(shù))，使得輸出y(k)(被控對(duì)象旋轉(zhuǎn)角度輸出量)等于給定的yr(k)(機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)的期望輸出旋轉(zhuǎn)角度)。因此，在此引入二次型性能指標(biāo)，即取實(shí)際輸出與期望輸出的差值的平方作為誤差，為了計(jì)算方便再乘以系數(shù)，即得角度誤差E為 E＝(1/2)·[yr(k+1)-y(k+1)]2 在單神經(jīng)元控制中引入二次型性能指標(biāo)，通過(guò)修改神經(jīng)元控制器的加權(quán)系數(shù)Wi(k)，使性能指標(biāo)趨于最小，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的最優(yōu)控制。使加權(quán)系數(shù)Wi(k)的修正沿著角度誤差E的平方的減小方向，即對(duì)Wi(k)的負(fù)梯度方向搜索調(diào)整。
根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播和加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，則有 又由(9)式可得 所以可得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器權(quán)系數(shù)的修正式為 其中，0＜li＜1學(xué)習(xí)步長(zhǎng)， ΔWi(k)是權(quán)重的變化量，由此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù){Wi}便可在線修正。
建立仿真機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)魚(yú)體上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行描述。旋轉(zhuǎn)角度控制計(jì)算器計(jì)算機(jī)器魚(yú)中間節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度θ，控制處理器根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度θ的值控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)尾轉(zhuǎn)動(dòng)。水產(chǎn)生的推力作用于機(jī)器魚(yú)的魚(yú)尾關(guān)節(jié)，保持質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線，使其質(zhì)心的位置不隨時(shí)間變化。
如圖5所示為仿生機(jī)器魚(yú)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型。以鲹科類機(jī)器魚(yú)為研究對(duì)象建立仿生機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)模型，在二維平面以機(jī)器魚(yú)體上的質(zhì)心點(diǎn)為圓點(diǎn)O建立一個(gè)坐標(biāo)系，a為魚(yú)頭位置、b為魚(yú)尾位置，質(zhì)心在魚(yú)體上。魚(yú)頭為剛體，控制電路電源裝在魚(yú)頭處，魚(yú)尾是柔性的，主要產(chǎn)生推力，如魚(yú)嘴到質(zhì)心的距離為l1，魚(yú)尾到質(zhì)心的位置為l2，Rc為魚(yú)尾向一邊彎曲的圓的圓半徑，在魚(yú)尾彎曲的過(guò)程中，Rc從無(wú)窮大變化到如圖位置，Rc決定機(jī)器魚(yú)旋轉(zhuǎn)的角度。假設(shè)機(jī)器魚(yú)尾從起始位置1變化到以(O，Rc)為圓心，以Rc為半徑的圓弧上位置2，即通過(guò)擺動(dòng)魚(yú)尾獲得無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎的動(dòng)力。建立正切于x軸，以Rc為半徑的圓，圓方程為 x2+(y-Rc)2＝Rc2 (10) 其中，Rc決定轉(zhuǎn)彎的特點(diǎn)，是影響機(jī)器魚(yú)旋轉(zhuǎn)的速度，以及最大轉(zhuǎn)角的主要因素。
魚(yú)尾圓心的軌跡yc＝Rc＝e-(t-c)(11) 其中t為時(shí)間，c為常量。
同時(shí)魚(yú)體上的任何關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，即 其中

是魚(yú)體上任關(guān)節(jié)點(diǎn)到質(zhì)心的距離，x′，y′為魚(yú)體任一點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)。
通過(guò)上述方法建立機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，即對(duì)魚(yú)體上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行描述。
機(jī)器魚(yú)在彎曲時(shí)帶動(dòng)了周圍的一部分水改變動(dòng)量，這部分水對(duì)機(jī)器魚(yú)產(chǎn)生推力F，因?yàn)闄C(jī)器魚(yú)的關(guān)節(jié)連接的是硬臂，可以忽略其彈性系數(shù)，所以忽略魚(yú)肌肉間的相互作用。水的推力F的方向垂直于魚(yú)體，幅度正比于被帶動(dòng)的流體的附加質(zhì)量ma(l)和其機(jī)器魚(yú)在垂直方向的加速度a(l，t)。當(dāng)單位長(zhǎng)度的一段魚(yú)體在其橫截面內(nèi)左右擺動(dòng)時(shí)，也帶動(dòng)了魚(yú)體周圍的一部分流體一起改變動(dòng)量，因此流體對(duì)魚(yú)體的反作用力，除了魚(yú)體本身的動(dòng)量變化引起的反作用力以外，還要考慮被帶動(dòng)的流體的這部分附加質(zhì)量的動(dòng)量的變化引起的側(cè)向力F，魚(yú)體帶動(dòng)周圍流體，這個(gè)被帶動(dòng)的周圍流體對(duì)魚(yú)產(chǎn)生了附加質(zhì)量。因?yàn)樗淖枇(l，t)僅僅因?yàn)樾D(zhuǎn)引起，因此，忽略在切線方向水的反作用力。
針對(duì)上述模型對(duì)仿生機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)進(jìn)行具體分析，確定其運(yùn)動(dòng)速度、加速度的情況。假如質(zhì)心O(0，0)在機(jī)器魚(yú)體的1/3處，a點(diǎn)為魚(yú)頭，b點(diǎn)為魚(yú)尾。魚(yú)轉(zhuǎn)彎的主要能量來(lái)自水產(chǎn)生的推力F。根據(jù)水的密度ρω、魚(yú)的高度h確定附加質(zhì)量ma(l)。
附加質(zhì)量ma(l)＝0.25πρωh2 (13) 從而得到水的推力F(l，t)＝ηma(l)a(l，t)(14) 其中η是常數(shù)。
根據(jù)機(jī)器魚(yú)旋轉(zhuǎn)的角速度ω(t)，有效阻力面積A(l，t)，確定機(jī)器魚(yú)所受到的水的阻力D(l，t)＝0.5ρωCd[ω(t)r(l，t)]2A(l，t) (15) 它們的力矩分別為T(mén)D(l，t)＝D(l，t)·ri(l，t) TF(l，t)＝F(l，t)·K (16) 總力矩為 魚(yú)體對(duì)于質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 所以機(jī)器魚(yú)相對(duì)于質(zhì)心的角加速度為 機(jī)器魚(yú)旋轉(zhuǎn)過(guò)程的效果示意如圖6所示。0位為初始位置，裝在魚(yú)頭處的控制電路發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)的關(guān)節(jié)從魚(yú)尾開(kāi)始擺動(dòng)。圖中位置1到3表示魚(yú)尾從以半徑無(wú)窮到Rc的彎曲過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是產(chǎn)生推力的主要階段，魚(yú)尾向一邊彎曲，通過(guò)水的反作用力來(lái)產(chǎn)生推力矩，同時(shí)由于水的阻力產(chǎn)生阻力矩，兩個(gè)力矩的合力矩使魚(yú)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)起來(lái)，此時(shí)加速度從最大慢慢減小，此過(guò)程為角速度增大的過(guò)程，位置4到位置12為只受到阻力的過(guò)程，此時(shí)加速度為負(fù)，此時(shí)處于角速度減小的過(guò)程，同時(shí)阻力也在減小。位置13到位置18為魚(yú)尾展開(kāi)的過(guò)程。其中，魚(yú)尾的彎曲半徑Rc是影響機(jī)器魚(yú)轉(zhuǎn)角的重要因子，決定機(jī)器魚(yú)的轉(zhuǎn)角。
從圖6、7可以看出，機(jī)器魚(yú)先從初始開(kāi)始，逆時(shí)針彎曲魚(yú)尾，然后順時(shí)針繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。實(shí)線為魚(yú)體在不同時(shí)刻旋轉(zhuǎn)的位置。5條虛線分別為魚(yú)頭a點(diǎn)、魚(yú)尾關(guān)節(jié)1，關(guān)節(jié)2，關(guān)節(jié)3，關(guān)節(jié)4旋轉(zhuǎn)的路徑，由圖看出它們是圓弧形的。從圖中看出質(zhì)心在一原點(diǎn)處，說(shuō)明質(zhì)心的位置是固定的不隨時(shí)間變化。從圖中看出在逆時(shí)針彎曲魚(yú)尾的過(guò)程中和旋轉(zhuǎn)完畢時(shí)展開(kāi)魚(yú)尾過(guò)程中魚(yú)頭位置不變；魚(yú)尾關(guān)節(jié)的位置隨時(shí)間變化而變化，魚(yú)尾關(guān)節(jié)一開(kāi)始逆時(shí)針彎曲，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最后展開(kāi)。
從圖7機(jī)器魚(yú)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖可看出，在改變方向時(shí)不影響位置的改變，使機(jī)器魚(yú)更加靈活，可以很好的控制某個(gè)位置上方向的改變，能實(shí)現(xiàn)水下原地探測(cè)或水下考古中的原地?cái)z影。
權(quán)利要求
1.一種仿生機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎的控制方法，其特征在于，建立機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；將機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)化，給定機(jī)器魚(yú)每個(gè)關(guān)節(jié)的最大、最小旋轉(zhuǎn)角度及旋轉(zhuǎn)速度；根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算機(jī)器魚(yú)各關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)每時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度；控制處理器通過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制，根據(jù)每時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角度控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)從魚(yú)尾關(guān)節(jié)開(kāi)始擺動(dòng)；通過(guò)水產(chǎn)生的推力形成力偶，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)以質(zhì)心為原點(diǎn)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述建立機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的步驟為，在二維平面以機(jī)器魚(yú)體上的質(zhì)心點(diǎn)為圓點(diǎn)建立一個(gè)坐標(biāo)系，建立以魚(yú)尾的彎曲半徑Rc，正切于x軸的圓，其方程為x2+(y-Rc)2＝Rc2，其中，Rc決定機(jī)器魚(yú)旋轉(zhuǎn)的角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)化的步驟具體包括，根據(jù)理論魚(yú)體波動(dòng)曲線擬和關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)曲線，使兩曲線之間的面積最小，確定機(jī)器魚(yú)的各關(guān)節(jié)位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制包括，通過(guò)修改神經(jīng)元控制器的加權(quán)系數(shù)，使加權(quán)系數(shù)的修正沿著旋轉(zhuǎn)角度誤差的平方的減小方向，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的最優(yōu)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，水的推力F的方向垂直于魚(yú)體，幅度正比于被帶動(dòng)的流體的附加質(zhì)量和其機(jī)器魚(yú)在垂直方向的加速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)水的密度、魚(yú)的高度確定附加質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種仿生機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎的控制方法，涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域。本發(fā)明以機(jī)器魚(yú)質(zhì)心為原點(diǎn)，建立機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；將機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)化，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度；控制電路發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)從魚(yú)尾關(guān)節(jié)開(kāi)始擺動(dòng)，通過(guò)水的推力F形成力偶，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)以質(zhì)心為原點(diǎn)的無(wú)半徑轉(zhuǎn)彎。通過(guò)水對(duì)機(jī)器魚(yú)的反作用力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)繞質(zhì)心的無(wú)半徑旋轉(zhuǎn)。采用本發(fā)明的仿生機(jī)器魚(yú)無(wú)半徑旋轉(zhuǎn)方法，可以使仿生機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)原地?zé)o半徑轉(zhuǎn)彎，在改變方向時(shí)不影響位置的改變，機(jī)器魚(yú)更加靈活。這種可以很好控制某個(gè)位置上方向的改變的方法，能實(shí)現(xiàn)水下原地探測(cè)或水下考古中的原地?cái)z影。
文檔編號(hào)B63H1/00GK101219708SQ20081006933
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者毅 張, 元 羅, 敏 李, 穎 謝, 熊仕勇, 洋 徐, 曾黔蜀, 張開(kāi)碧 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)