專利名稱：一種仿生長鰭波動推進器運動控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機電一體化技術領域，涉及水下仿生長鰭波動推進器的運 動控制方法。
背景技術：
魚類的推進方式可以分為兩種， 一種是身體/尾鰭推進方式(BCF方 式)魚體通過身體的波動運動或尾鰭的擺動運動產(chǎn)生推進力；另一種是奇鰭/對鰭推進方式(MPF方式)魚體通過背鰭或腹鰭這樣的奇鰭，或如胸鰭這樣的對鰭的運動來產(chǎn)生推進力。BCF方式在靜水環(huán)境、高速游動狀 態(tài)下?lián)碛泻芎玫募铀傩阅芎秃芨叩挠蝿有剩鳰PF方式在紊流環(huán)境、 低速運動狀態(tài)下靈活性和抗擾動性較強，游動效率較高。受機構和控制系 統(tǒng)設計復雜性的制約，早期仿魚類水下推進系統(tǒng)的設計主要采用BCF方 式和MPF方式中的胸鰭擺動方式。隨著工程技術的發(fā)展，MPF方式中的 波動鰭推進方式正受到越來越多的關注。國內外將這種推進方式應用于水 下雅進器研究的有新加坡南洋理工大學仿照鰩魚研制開發(fā)了長鰭波動推 進系統(tǒng)；日本大阪大學研制了依靠兩側長鰭波動推進的游動機器原型系 統(tǒng)；美國的西北大學也研究了長鰭波動推進運動產(chǎn)生推力的機理，建立了 長鰭波動推進實驗系統(tǒng)；國防科技大學在對"尼羅河魔鬼魚"游動機理的研 究基礎上，研制開發(fā)了一套長鰭波動推進系統(tǒng)。目前對于波動鰭推進方式 的研究，主要集中在機構的設計方面，而對波動鰭的運動控制方法很少有 詳細的介紹。仿生波動鰭的機構由多個鰭條和連接相鄰鰭條的柔性鰭膜組成，鰭膜 在鰭條的驅動下作波動運動，波動鰭的運動控制主要依靠協(xié)調控制多數(shù)個 鰭條的擺動，產(chǎn)生需要的運動模式。發(fā)明內容為了解決仿生長鰭波動推進器上多個舵機的協(xié)調控制問題，本發(fā)明的 目的是協(xié)調控制多個鰭條的擺動帶動鰭膜波動運動并產(chǎn)生推進力，使仿生 長鰭波動推進器能夠實現(xiàn)不同的運動模式，為此，本發(fā)明提供一種基于中 樞模式發(fā)生器CPG模型的仿生長鰭波動推進器運動控制方法。為達成所述的目的，本發(fā)明仿生長鰭波動推進器運動控制方法，解決 問題的技術方案包括如下步驟步驟S1:選取長鰭波動推進器的運動模式；步驟S2:對選取的長鰭波動推進器的運動模式設定中樞模式發(fā)生器模 型微分方程的輸入?yún)?shù)；步驟S3:對選取的運動模式設定中樞模式發(fā)生器模型微分方程的初始值；步驟S4:設定求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值計算方法中的迭代計算步長；步驟S5:在給定中樞模式發(fā)生器模型微分方程的全部參數(shù)、初始值和計算步長基礎上，利用歐拉方法解出中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解，該數(shù)值解為計算長鰭波動推進器舵機控制輸出量所必須的中間變量； 步驟S6:依據(jù)中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解進一步計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值，該輸出值為計算長鰭波動推進器舵機控制輸出量所必須的中間變量；步驟S7:將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值進行規(guī)范化，進而計算出長鰭波動推進器鰭條擺動的角度，并轉換成脈寬調制波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值；步驟S8:由脈寬調制波產(chǎn)生器根據(jù)輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方 波，用于舵機運動控制，完成本控制周期內對舵機的控制輸出；步驟S9:將中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解作為下一控制周期 求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已設定的中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回步驟(5)進行迭代運算。其中，所述輸入?yún)?shù)和初始值，用于協(xié)調控制多數(shù)個鰭條的擺動，并 實現(xiàn)長鰭波動推進器的急停運動控制。其中，所述輸入?yún)?shù)和初始值，用于協(xié)調控制多數(shù)個鰭條的擺動，并 實現(xiàn)仿生長鰭波動推進器的轉彎運動控制。其中，所述輸入?yún)?shù)和選擇初始值，用于協(xié)調控制多數(shù)個鰭條的擺動， 并實現(xiàn)長鰭波動推進器的快速啟動運動控制。其中，所述運行模式為穩(wěn)態(tài)游動前進模式、穩(wěn)態(tài)游動后退模式、快速 啟動模式、急停模式和轉彎模式，根據(jù)所述運行模式設定微分方程的輸入?yún)?shù)為階躍輸入響應時間z;，適應時間r。，互抑系數(shù)a，自抑系數(shù)"外部恒定激勵輸入c,和外部反饋輸入",。其中，根據(jù)穩(wěn)態(tài)游動前進模式、穩(wěn)態(tài)游動后退模式、快速啟動模式、 急停模式和轉彎模式，設定微分方程的初始值為(《《《?！?。f ，其中 "1,2,...，10，代表第/個振蕩器，初始值中包含振蕩器之間相對的相位關系,/，e分別代表屈肌神經(jīng)元和伸肌神經(jīng)元；r為行向量的轉置。其中，所述中樞模式發(fā)生器模型的基本組成單元采用神經(jīng)振蕩器。其中，所述神經(jīng)振蕩器的數(shù)學模型為/代表第!'個振蕩器；y代表第7個振蕩器；"為振蕩器個數(shù)；/,e分別代表 屈肌神經(jīng)元和伸肌神經(jīng)元；",為神經(jīng)元內部狀態(tài)，v,為神經(jīng)元疲勞程；J;為 階躍輸入響應時間；？;為適應時間；"為互抑系數(shù)；6為自抑系數(shù)；c,為外 部恒定激勵輸入；《為外部反饋輸入；,'s用作振蕩器間的相互影響項；, 為振蕩器間的連接權重，％=1表示相互激勵，％. = -1表示相互抑止，w,,=0 表示不存在自抑制；x為振蕩器的輸出。其中，所述采用歐拉方法解出的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值 解為="a+V("a+:va)，式中rx + v,e = >>，+一 +72^力+/(",,x)=丘A是歐拉方法迭代計算的步長，A是歐拉方法迭代計算的步數(shù)。其中，所述脈寬調制波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值為=+ P。) 式中^是由規(guī)范值計算出鰭條的擺動角度為&=arCSinO/a);中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化為/"-與sir^,;由中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值為 & 4是第z'個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，t,是鰭條的最大擺幅角度，y ^K)函數(shù)用于向上取整，A是舵機中間位置的脈寬調制波計數(shù)值，^是變換尺度系數(shù)。本發(fā)明有益效果本發(fā)明采用適合節(jié)律運動控制的中樞模式發(fā)生器 CPG模型解決仿生長鰭波動推進器上多個舵機的協(xié)調控制問題。針對選擇的不同運動模式設定中樞模式發(fā)生器CPG模型的微分方程的輸入?yún)?shù)和初始值，通過計算獲得推進器舵機的控制量，實現(xiàn)運動控制。該方法采用 統(tǒng)一的模型結構，通過改變輸入?yún)?shù)和初始值就可以實現(xiàn)仿生長鰭波動推 進器不同節(jié)律的波動運動，完成前進、后退、急停、快速啟動和轉彎等運 動。該方法簡單、可靠，易于實現(xiàn)，計算量小，實時性好，能夠滿足多路 舵機協(xié)調控制的時間要求。


圖1是本發(fā)明長鰭波動推進器控制方法的工作流程 圖2是本發(fā)明周期運動模式鰭條擺動的示意圖； 圖3是本發(fā)明快速啟動模式鰭條擺動的示意圖； 圖4是本發(fā)明急停模式鰭條擺動的示意圖； 圖5是本發(fā)明轉彎模式鰭條擺動的示意圖；具體實施方式
下面結合附圖對基于中樞模式發(fā)生器CPG模型的仿生長鰭波動推進 器運動控制方法做出說明。根據(jù)圖l對本發(fā)明長鰭波動推進器控制方法進行詳細介紹，針對選擇 的不同運動模式設定中樞模式發(fā)生器CPG模型的微分方程的輸入?yún)?shù)和 初始值，通過計算獲得推進器舵機的控制量，實現(xiàn)運動控制。所述輸入?yún)?數(shù)和初始值，用于協(xié)調控制多數(shù)個鰭條的擺動，并實現(xiàn)長鰭波動推進器的 急停運動控制、實現(xiàn)仿生長鰭波動推進器的轉彎運動控制和實現(xiàn)長鰭波動 推進器的快速啟動運動控制。所述運行模式為穩(wěn)態(tài)游動前進模式、穩(wěn)態(tài)游 動后退模式、快速啟動模式、急停模式和轉彎模式。本發(fā)明的控制方法在現(xiàn)場可編程門電路(FPGA)芯片中實現(xiàn)，能夠 實時在線的控制仿生長鰭波動推進器的運動。所述中樞模式發(fā)生器CPG模型的基本組成單元采用神經(jīng)振蕩器，中 樞模式發(fā)生器CPG是一種能夠產(chǎn)生節(jié)律運動模式的耦合神經(jīng)振蕩器的集 合，適合于耦合的多個鰭條的運動控制。本發(fā)明采用的是改進的Matsuoka 振蕩器，輸出值的變化更加平滑，更有利于舵機的控制。神經(jīng)振蕩器的數(shù)學模型如公式(1)所示rX + < = 乂' f±i,(";')其中，/代表第/個振蕩器；J代表第7個振蕩器；"為振蕩器個數(shù)；/,e 分別代表屈肌神經(jīng)元和伸肌神經(jīng)元；",為神經(jīng)元內部狀態(tài)，v,為神經(jīng)元疲 勞程；>^6用作振蕩器間的相互影響項；,為振蕩器間的連接權重，^. = 1 表示相互激勵，^=-1表示相互抑止，^=0表示不存在自抑制；少,為振蕩器的輸出。根據(jù)所述運行模式設定微分方程的輸入?yún)?shù)為j;為階躍輸入響應時間；T。為適應時間；a為互抑系數(shù)；6為自抑系數(shù)；c,為外部恒定 激勵輸入；《為外部反饋輸入。中樞模式發(fā)生器CPG模型由十個神經(jīng)振蕩器構成。 下面對長鰭波動推進器的運動控制方法舉例說明步驟S1、選取長鰭波動推進器的運動模式穩(wěn)態(tài)游動前進模式為^、 穩(wěn)態(tài)游動后退模式為附2、快速啟動模式為^、急停模式為 和轉彎模式為附5;步驟S2、根據(jù)選擇的長鰭波動推進器的運動模式，設定中樞模式發(fā)生 器模型微分方程的輸入?yún)?shù)？;， ra， "， 6; c,，《，/ = 1,2,...,10; % ， /,y = l,2,...，10 ;若選取運動模式為穩(wěn)態(tài)游動前進模式m,，則設定微分方程的輸入?yún)?數(shù)7>0.05; Ta = 0,2 ; a = -1.0; 6 =-2.0 ; c, = 1 ， t/, = 0 ， f = l,2,.."10;若選取運動模式為穩(wěn)態(tài)游動后退模式^ ，則設定微分方程的輸入?yún)?shù) >0.05; ra=0.2; " = —1.0; 6—2.0; c, = 1 ，《=0， / = 1,2,...，10;-1,0, / = 7' /,/ = 1，2,...，10若選取運動模式為快速啟動模式"\則設定微分方程的輸入?yún)?shù): 7;=0.025; r。=0.1; a = _i.o; 6 = —2.0; c,=0.9 + 0,01/;《=0， / = 1,2,.,.,10;若選取運動模式為急停模式 ，則設定微分方程的輸入?yún)?shù):10..,10，代表第/個振蕩器；初始值中已經(jīng)l11rr =0.025. r。=0.1. a = _i.o; 6 = —2.0; c,=l —O.Ol/;《=0， z' = l,2,..,，10-i,0, / = /,/ = 1,2,...,10 .若選取運動模式為轉彎模式^ ，則設定微分方程的輸入?yún)?shù)-7>0.06; 7>0.24; a = —L0; 6 =-2.0;_ J 1.01-0.01/, l化5 0.0903c,, l"5c'=<[o.9 + 0.01/, 6^/^10 . ' 一i一0.0903c,， 6^/^10 ， / = 1,2"..,10 ;W"_lo, ，'力'-l,2,…,10;其中，j" 0細3c,， 1S"5 '1-0.0903c,， 6《"10由5';香，和4A的估計值4 = 0.3948c,.，《=2.1856《算出。步驟S3、對選取的運動模式設定中樞模式發(fā)生器模型微分方程的初始 值(《《<Q《。f ，其中/ = 1,2,...,10，代表第/個振蕩器；初始值中蘊含 振蕩器之間相對的相位關系；/>分別代表屈肌神經(jīng)元和伸肌神經(jīng)元；r為 行向量的轉置。若選取運動模式為穩(wěn)態(tài)游動前進模式,，則設定微分方程的初始值為:其中/ = 1,2<formula>formula see original document page 11</formula>相對的相位關系。若選取運動模式為穩(wěn)態(tài)游動后退模式^ ，則設定微分方程的初始值為:《《 w,'o0.05+ 0.2 sin 0.075+ 0.05 sin 0.05+ 0.2 sin 0.075+ 0.05sin10-/ l 20;r .-+ —、20tt 310. — + ;r 20;r 乂10-/ 4;r20;r 丁.其中'1G，代表第''個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相對的相位關系。若選取運動模式為快速啟動模式"S則設定微分方程的初始值為W、 《=(0.9 + 0.0h-)x0.05 + 0.2sin20;r0.075+ 0.05sinf^i + 2 U0;r 3」0.05 + 0.2sin/ —1 20兀 + 7t0.075+ 0.05sinl其中/ = 1,2,".,10的相位關系。、20tt3 乂乂代表第,'個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相對若選取運動模式為急停模式 ，則設定微分方程的初始值為:' 」—r 、V、《 <0=(l_0.01/)x0.05+ 0.2 sin20;r」0.075 +0.05 sin f^ +三、20;r 3,/_1 一0.05 + 0.2sin20;r0.075+ 0.05 sin+ ， U0tt3 ,其中"1，2，…，10，代表第z'個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相對 的相位關系。
若選取運動模式為轉彎模式^，則設定微分方程的初始值為-
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中hl，2，…，10
的相位關系。
步驟S4、設定求
代表第z'個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相對
S率中樞模式發(fā)生器模型微分方程所采用的數(shù)值計算方
法-歐拉方法的迭代計算步長A ;
步驟S5、在給定中樞模式發(fā)生器模型微分方程的全部參數(shù)、初始值和 計算步長基礎上，利用歐拉方法解出中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值
實中，
<formula>formula see original document page 13</formula><formula>formula see original document page 14</formula>
該數(shù)值解為計算長鰭波動推進器舵機控制輸出量所必須的中間變量； A是歐拉方法迭代計算的步數(shù)。
步驟S6、依據(jù)中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解進一步計算出中 樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值，；
該輸出值為計算長鰭波動推進器舵機控制輸出量所必須的中間變量；
步驟S7、將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化，進而計算出長 鰭波動推進器鰭條擺動的角度，并轉換成脈寬調制(PWM)波產(chǎn)生器的 輸入計數(shù)值；輸出振幅值規(guī)范化為<formula>formula see original document page 14</formula>
由規(guī)范值計算出鰭條擺動的角度
<formula>formula see original document page 14</formula>
將角度值換算成PWM波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值
其中4是第/個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，t,是鰭條的最大 擺幅角度，/7^K)函數(shù)用于向上取整，A是舵機中間位置的PWM波計數(shù)
值，s是變換尺度系數(shù)。
步驟S8、 PWM波產(chǎn)生器由輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方波，用于 舵機控制，完成本控制周期內對舵機的控制輸出；步驟S9、將步驟S5中獲得的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解 作為下一控制周期求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已 設定的中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回
步驟S5進行迭代運算。
在確定了微分方程求解算法歐拉方法的迭代計算步長、中樞模式發(fā)生
器模型輸入?yún)?shù)和初始值后，通過步驟(5)到步驟(9)的迭代運算給出 連續(xù)的舵機控制信號輸出；輸出舵機控制信號協(xié)調控制仿生長鰭波動推進 器多個鰭條舵機的擺動，實現(xiàn)對仿生長鰭波動推進器前進、后退、啟動、 急停和轉彎運動的控制。
算法具體實現(xiàn)和參數(shù)設置分為如下幾部分介紹。 (一)、穩(wěn)態(tài)游動前進模式
(1) 選取運動模式為穩(wěn)態(tài)游動前進模式m,;
(2) 設定微分方程的輸入?yún)?shù)7>0.05; T。 = 0.2 ;…1.0; 6 = -2.0 ;
f—1, / # 7.
c,=l， c/,=0，〖=1,2"..,10; w,, — ， /,_/ = 1,2,...,10 ;
l 0, / = y
(3)設定微分方程的初始值為
,《、 《
0.05 + 0.2sin
/一1
0.075+ 0.05 sin 0.05 + 0.2sin 0.075十0.05sin
、20tt 3乂
20;r '/一l 4;r、
U0;r3 "
其中/ = 1,2,...,10，代表第/個振蕩器；初始值中已經(jīng)蘊含了振蕩器之間 相對的相位關系。
(4) 設定求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程所采用的數(shù)值計算方法-歐拉方法的迭代計算步長/2 = 0.02 ;
(5) 利用歐拉方法解出微分方程的數(shù)值解
、+機"a+乂,》其中，
v、
W人
V、 、x人
/(",,x)=
r "'. + t7 t 乂. t1 W/)'少y 2"" 2""
乂=1
i e z e o f i 一 ￡ ^
7", +廣，
_丄e 丄e
4
(6)由微分方程的數(shù)值解進一步計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出
振幅值:
(7)將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化:
-sm-
^ 4 0.3948c, 4
由規(guī)范值計算出鰭條的擺動角度
& =arcsin(,t) 將角度值換算成PWM波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值
麵"^ = y/離(《+ Po) = y oor(15626^ +4688) 其中4. =0.3948。是第!'個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，函 數(shù)用于向上取整，p。是中間位置的PWM波計數(shù)值，s是變換尺度系數(shù)。
(8) PWM波產(chǎn)生器由輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方波，用于舵機
控制；
(9) 將(5)中獲得的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解作為下 一控制周期求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已設定的 中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回(5) 進行迭代運算。(二)、穩(wěn)態(tài)游動后退模式
(1) 選取運動模式為穩(wěn)態(tài)游動后退模式^;
(2) 設定微分方程的輸入?yún)?shù)rr=0.05; Ta = 0.2 ; fl = -1.0; 6 = -2.0 ;
c. =1， ^=0， / = 1,2,...,10; w,, = j—L '" ， /,_/ = 1,2,...,10 ; ' ' y 0, / = /■
其中/ = 1,2,...,10，代表第/個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相X寸 的相位關系。
(4) 設定求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程所采用的數(shù)值計算方法-歐拉方法的迭代計算步長A = 0.02 ;
(5) 利用歐拉方法解出微分方程的數(shù)值解
其中，
/、
G,、
乂4
/4
1/ 6 , ae 1々 , C,
1 e6 e" /1々 e 《
+ ^ ^
17
臺值為:
0.05 + 0.2sin
10-/' 、20;r .
0,075+ 0.05 sin
0.05+ 0.2 sin 0.075+ 0.05 sin
10-/ 20兀
.+兀
乂
10-/ 4tt V 20;r 3 '
的
設
o
7 .,，(6)由微分方程的數(shù)值解進一步計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出
隔1
(7) 將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化
"4 4 0.3948^ 4
由規(guī)范值計算出鰭條的擺動角度
~ =arcsin(>'a) 將角度值換算成PWM波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值
= _/7離(《+ = _/7oor(15626>a +4688) 其中4 = 0.3948c,是第/個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，yfcM()函 數(shù)用于向上取整，p。是舵機中間位置的PWM波計數(shù)值，s是變換尺度系 數(shù)。
(8) PWM波產(chǎn)生器由輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方波，用于舵機
控制；
(9) 將(5)中獲得的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解作為下 一控制周期求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已設定的 中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回(5) 進行迭代運算。
穩(wěn)態(tài)游動前進模式和穩(wěn)態(tài)游動后退模式鰭條擺動的示意圖如圖2所 示，設沿一y軸的方向為游動的正方向，行波傳播方向沿+y軸方向的運 動模式為穩(wěn)態(tài)前進模式，此時第/根鰭條的擺動相位超前于第/ + 1根鰭條的
擺動相位0.2;r;行波傳播方向沿一y軸方向的運動模式為穩(wěn)態(tài)后退模式， 此時第/根鰭條的擺動相位滯后于第/ + 1根鰭條的擺動相位0.2^。
(三)、快速啟動模式
(1) 選取運動模式為快速啟動模式m;;
(2) 設定微分方程的輸入?yún)?shù)7>0.025; 7>0.1;…1.0; 6 =-2.0 ;
<formula>formula see original document page 18</formula>(3)設定微分方程的初始值為
V、
《
《o
=(0.9 +0.01/) x
0.05 + 0.2sin
/一1
0.075十0.05sinf^i +三、
0.05 + 0.2sin( "^ + r)
'/ _ 1 4;r 、 +
0.075 +0,05sin
.20丌3 .
其中/ = 1,2,...,10，代表第/個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相對 的相位關系。
(4) 設定求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程所采用的數(shù)值計算方法-歐拉方法的迭代計算步長/z = 0.02 ;
(5) 利用歐拉方法解出微分方程的數(shù)值解
其中，
"'八
——+ — v/ +——乂. + — 〉 .w,.,j^ +丄+
>1
(6)由微分方程的數(shù)值解進一步計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出
振幅值:
19(7) 將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化
"J, 4 0.3948c, 4
由規(guī)范值計算出鰭條的擺動角度
6>a =arcsin(>'a) 將角度值換算成PWM波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值
= ,or(5^,. A + p。)=如o,(1562^ +4688) 其中4 = 0.3948c,是第/個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，函
數(shù)用于向上取整，A是舵機中間位置的PWM波計數(shù)值，^是變換尺度系 數(shù)。
(8) PWM波產(chǎn)生器由輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方波，用于舵機
控制；
(9) 將(5)中獲得的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解作為下 一控制周期求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已設定的 中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回(5) 進行迭代運算。
快速啟動模式鰭條擺動的示意圖如圖3所示，設沿一y軸的方向為游 動的正方向，行波傳播方向沿+y軸方向，第f根鰭條的擺動相位超前于第 / + 1根鰭條的擺動相位0.2冗，且第1根鰭條到第IO根鰭條的擺動幅度依次 線性增大。
(四)、急停模式
(1) 選取運動模式為急停模式附4;
(2) 設定微分方程的輸入?yún)?shù)7;=0.025; 7;=0.1; " = -1.0; 6 =-2.0 ;
f—1, " /
c,=l — 0.01/;《=0， / = 1,2,...,10; w〃 — ， /,/= 1,2,…，10 ;
L。，
(3) 設定微分方程的初始值為
20<formula>formula see original document page 21</formula>
其中/ = 1,2,...,10，代表第/個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相對
的相位關系。
(4) 設定求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程所采用的數(shù)值計算方法-歐拉方法的迭代計算步長^ = 0.02 ;
(5) 利用歐拉方法解出微分方程的數(shù)值解
其中，<formula>formula see original document page 21</formula>(6)由微分方程的數(shù)值解進一步計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出
隔值:
(7)將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化:"J, 4 0.3948c, 4
由規(guī)范值計算出鰭條的擺動角度
6>a =arcsin<ya) 將角度值換算成PWM波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值
ccw"f,,A = y oo"《+ p0) = _/Zoor(l 5626^ +4688) 其中4=0.3948。是第/個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，y ooK)函 數(shù)用于向上取整，p。是舵機中間位置的PWM波計數(shù)值，^是變換尺度系 數(shù)。
(8) PWM波產(chǎn)生器由輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方波，用于舵機
控制；
(9) 將(5)中獲得的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解作為下 一控制周期求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已設定的 中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回(5) 進行迭代運算。
急停模式鰭條擺動的示意圖如圖4所示，設沿一y軸的方向為游動的 正方向，行波傳播方向沿一y軸方向第/根鰭條的擺動相位滯后于第,:+ l根
鰭條的擺動相位0.2;r，且第1根鰭條到第IO根鰭條的擺動幅度依次線性減小。
(五)、轉彎模式
(1) 選取運動模式為轉彎模式附5;
(2) 設定微分方程的輸入?yún)?shù)7;=0.06; ra=0.24; " = -1.0; 6 = -2.0;
「1.01 — 0.01/, 1S/S5 f 0.0903c,, 1S/S5
c" ; 《=乂 ' ， / = 1,2,...,10 ;
'10.9 + 0.01/， 6^/^10 1—0.0903c,, 6^/<10
f一l, 廿山 f0細3C,, 1S/S5 上 爿 rCn
w = ' J ， /,_/ = 1,2,...,10 ;其中《= ' 由《=僉，和
4,A的估計值4 = 0.3948c, ， A = 2.1856《算出。
(3) 設定微分方程的初始值為的相位關系。
(4) 設定求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程所采用的數(shù)值計算方法-歐拉方法的迭代計算步長/2 = 0.02;
(5) 利用歐拉方法解出微分方程的數(shù)值解
,八 、
其中，
乂丄
乂4
1 / 6 y fl! e1々 / C,.
1 e 6e a , 1 e C, 《■
(6)由微分方程的數(shù)值解進一步計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出
0.05
4;r
r乂
、
0.075+ 0,05sin^ 3
0.05 0.075+ 0.05sin
0.05 + 0.2sin 0.075+ 0.05 sin
0.05 + 0.2sin 0.075十0.05sin
T
19;r
12
12"
:/個振蕩器；初始值中蘊含了振蕩器之間相對
第
代
o
中
其振幅值:
(7) 將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化
z "4 4 0.3948c, 4
由規(guī)范值計算出鰭條的擺動角度
& -arcsinO',》 將角度值換算成PWM波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值
謹 =/7縱(《+ Po) = y7oor(15626^ +4688) 其中4. = 0.3948c,是第/個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，函 數(shù)用于向上取整，p。是舵機中間位置的PWM波計數(shù)值，^是變換尺度系 數(shù)。
(8) PWM波產(chǎn)生器由輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方波，用于舵機
控制；
(9) 將(5)中獲得的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解作為下 一控制周期求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已設定的 中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回(5) 進行迭代運算。
轉彎模式鰭條擺動如圖5所示，第l、 2、 3、 4、 5根鰭條的擺動相位 相同，第6、 7、 8、 9、 IO根鰭條的擺動相位相同，且第1到第5根鰭條 的擺動相位和第6到第10根鰭條的擺動相位相差;r ，第1到第5根鰭條的 擺動幅度依次減小，第6到第10根鰭條的擺動幅度依次增大。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可理解想 到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內，因此，本發(fā)明的保 護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1、長鰭波動推進器控制方法，其控制步驟包括步驟S1選取長鰭波動推進器的運動模式；步驟S2對選取的長鰭波動推進器的運動模式設定中樞模式發(fā)生器模型微分方程的輸入?yún)?shù)；步驟S3對選取的運動模式設定中樞模式發(fā)生器模型微分方程的初始值；步驟S4設定求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值計算方法中的迭代計算步長；步驟S5在給定中樞模式發(fā)生器模型微分方程的全部參數(shù)、初始值和計算步長基礎上，利用歐拉方法解出中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解，該數(shù)值解為計算長鰭波動推進器舵機控制輸出量所必須的中間變量；步驟S6依據(jù)中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解進一步計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值，該輸出值為計算長鰭波動推進器舵機控制輸出量所必須的中間變量；步驟S7將中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值進行規(guī)范化，進而計算出長鰭波動推進器鰭條擺動的角度，并轉換成脈寬調制波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值；步驟S8由脈寬調制波產(chǎn)生器根據(jù)輸入計數(shù)值產(chǎn)生相應占空比的方波，用于舵機運動控制，完成本控制周期內對舵機的控制輸出；步驟S9將中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解作為下一控制周期求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程時的初始值，保持已設定的中樞模式發(fā)生器模型微分方程輸入?yún)?shù)和迭代計算步長不變，返回步驟(5)進行迭代運算。
2、 根據(jù)權利要求1的控制方法，其特征在于，所述輸入?yún)?shù)和初始值，用于協(xié)調控制多數(shù)個鰭條的擺動，并實現(xiàn)長鰭波動推進器的急停運動 控制。
3、 根據(jù)權利要求1的控制方法，其特征在于，所述輸入?yún)?shù)和初始值，用于協(xié)調控制多數(shù)個鰭條的擺動，并實現(xiàn)仿生長鰭波動推進器的轉彎運動控制。
4、 根據(jù)權利要求1的控制方法，其特征在于，所述輸入?yún)?shù)和選擇 初始值，用于協(xié)調控制多數(shù)個鰭條的擺動，并實現(xiàn)長鰭波動推進器的快速 啟動運動控制。
5、 根據(jù)權利要求1控制方法，其特征在于，所述運行模式為穩(wěn)態(tài)游 動前進模式、穩(wěn)態(tài)游動后退模式、快速啟動模式、急停模式和轉彎模式，根據(jù)所述運行模式設定微分方程的輸入?yún)?shù)為階躍輸入響應時間j;，適應時間z;，互抑系數(shù)"，自抑系數(shù)6;外部恒定激勵輸入c,和外部反饋輸入《。
6、 根據(jù)權利要求1或5的控制方法，其特征在于，根據(jù)穩(wěn)態(tài)游動前 進模式、穩(wěn)態(tài)游動后退模式、快速啟動模式、急停模式和轉彎模式，設定 微分方程的初始值為("i《 <?！秄 ，其中/ = 1,2,...,10，代表第/個振蕩 器，初始值中包含振蕩器之間相對的相位關系,/,e分別代表屈肌神經(jīng)元和伸肌神經(jīng)元；r為行向量的轉置。
7、 根據(jù)權利要求1的控制方法，其特征在于，所述中樞模式發(fā)生器 模型的基本組成單元采用神經(jīng)振蕩器。
8、 根據(jù)權利要求7的控制方法，其特征在于，所述神經(jīng)振蕩器的數(shù)學模型為其中，/代表第/個振蕩器；7代表第J個振蕩器；"為振蕩器個數(shù)；/,e 分別代表屈肌神經(jīng)元和伸肌神經(jīng)元；",為神經(jīng)元內部狀態(tài)，v,為神經(jīng)元疲 勞程；？;為階躍輸入響應時間；r。為適應時間；a為互抑系數(shù)；6為自抑系 數(shù)；c,為外部恒定激勵輸入；《為外部反饋輸入；x〃用作振蕩器間的相互 影響項；^為振蕩器間的連接權重，^=1表示相互激勵，^=-1表示相互抑止，氣=0表示不存在自抑制；y,為振蕩器的輸出。
9、根據(jù)權利要求1的控制方法，其特征在于，所述采用歐拉方法解 出的中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解為其中，<formula>formula see original document page 4</formula>A是歐拉方法迭代計算的步長，/t是歐拉方法迭代計算的步數(shù)。
10. 根據(jù)權利要求i的控制方法，其特征在于，所述脈寬調制波產(chǎn)生器的輸入計數(shù)值為式中^是由規(guī)范值計算出鰭條的擺動角度為^-arcsin(;/,》；中樞模 式發(fā)生器模型的輸出振幅值規(guī)范化為/,》=,Sii^max;由中樞模式發(fā)生器模型微分方程的數(shù)值解計算出中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值為",；；4是第^個振蕩器最大輸出信號幅度的估計值，^^是鰭 條的最大擺幅角度，y/o。K)函數(shù)用于向上取整，P。是舵機中間位置的脈寬調制波計數(shù)值，s是變換尺度系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明一種仿生長鰭波動推進器運動控制方法，針對不同的長鰭波動推進器運動模式設定相應的控制參數(shù)和初始值，依據(jù)輸入的控制參數(shù)和初始值利用歐拉方法迭代求解中樞模式發(fā)生器模型微分方程，利用迭代計算過程中中樞模式發(fā)生器模型的輸出振幅值計算長鰭波動推進器上各鰭條的擺動角度，通過脈寬調制波產(chǎn)生器將擺動角度轉化成舵機控制量協(xié)調控制長鰭波動推進器上的多個舵機，使長鰭波動推進器產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的節(jié)律的波動運動，實現(xiàn)前進、后退、急停、轉彎和快速啟動。該方法簡單、可靠，易于實現(xiàn)，計算量較小，能滿足長鰭波動推進器多路舵機協(xié)調控制的實時性要求。
文檔編號B63H1/36GK101609306SQ20081011516
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權日2008年6月18日
發(fā)明者碩 王, 翔 董, 民 譚 申請人:中國科學院自動化研究所