一种机器鱼尾鳍运动能耗建模方法及系统.pdf

本发明公开了一种机器鱼尾鳍运动能耗建模方法及系统。该方法包括：获取机器鱼尾鳍摆动频率；获取机器鱼尾鳍摆动幅度；获取机器鱼尾鳍摆动偏角；根据机器鱼尾鳍摆动频率、机器鱼尾鳍摆动幅度与机器鱼尾鳍单位时间运动能耗之间的关系公式，计算机器鱼匀速直线运动的能耗；根据机器鱼尾鳍摆动频率、机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间运动能耗之间的关系公式，计算机器鱼转弯运动的能耗。本发明提供的机器鱼尾鳍运动能耗建模方法及系统，将机器鱼尾鳍的摆动频率、幅度和偏角与机器鱼尾鳍的运动能耗联系起来，该模型具有实时性强、精度高的特点，能够为机器鱼的路径规划与移动能源管理提供具有实用意义的参考。

1.一种机器鱼尾鳍运动能耗建模方法，其特征在于，所述方法包括：
获取机器鱼尾鳍摆动频率；
获取机器鱼尾鳍摆动幅度；
获取机器鱼尾鳍摆动偏角；
根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间
内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼匀速直线运动的能耗；
根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾
鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼转弯运动的能耗。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在所述获取机器鱼尾鳍摆动频率之
前，还包括：
在所述机器鱼做匀速直线运动时，每隔设定时间获取一次机器鱼尾鳍摆动频率和机器
鱼尾鳍摆动幅度，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗；
对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内
的运动能耗三者的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆
动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式；
在所述机器鱼做转弯运动时，每隔设定时间获取一次机器鱼尾鳍摆动频率、机器鱼尾
鳍摆动幅度和机器鱼尾鳍摆动偏角，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗；
对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、所述机器鱼尾鳍摆动偏角与
所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾鳍摆
动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之
间的关系公式。
3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、
所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算
所述机器鱼匀速直线运动的能耗，具体包括：
根据公式计算所述机器鱼匀速直线运动的耗能，其中，E_SS-L为所述
机器鱼匀速直线运动距离S所消耗的能量，E_onesecond-L为单位时间内所述机器鱼尾鳍的能耗，V_L为所
述机器鱼匀速游动的速度，
P₀₀,
P₁₀,P₀₁,...,P₃₂,P₂₃,P₁₄、P₀₀',P₁₀',P₀₁',...,P₃₂',P₂₃',P₁₄'均为系数，a_A为机器鱼尾鳍摆动
幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、
所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内运动能耗之间的关系公
式，计算所述机器鱼转弯运动的能耗，具体包括：
根据公式计算所述机器鱼转弯运动的耗能，其中，E_SS-C为
所述机器鱼转过弧长为的弯所消耗的能量，E_onesecond-C为单位时间内所述机器鱼的能耗，
V_C为所述机器鱼的线速度，R＝P₁a₀³+P₂a₀²+P₃a₀+P₄，L_AB为转弯起
点与转弯终点之间的距离，a₀为所述机器鱼尾鳍摆动偏角，E_onesecond-C＝P₀₀+P₁₀f+P₀₁a_A+P₂₀f²
+P₁₁a_Af+P₀₂a₀，P₁,P₂,
P₃,P₄、P₀₀,P₁₀,P₀₁,P₁₁,P₀₂,P₂₀、P₀',P₁',P₂',P₃',P₄',P₅',P₆',P₇',P₈'为系数，a_A为机器鱼尾
鳍摆动幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。
5.一种机器鱼尾鳍运动能耗建模系统，其特征在于，所述系统包括：
摆动频率获取单元，用于获取机器鱼尾鳍摆动频率；
摆动幅度获取单元，用于获取机器鱼尾鳍摆动幅度；
摆动偏角获取单元，用于获取机器鱼尾鳍摆动偏角；
直线运动能耗计算单元，用于根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅
度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼匀速直线运
动的能耗；
转弯运动能耗计算单元，用于根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅
度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼
转弯运动的能耗。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
第一参数获取单元，用于在所述机器鱼做匀速直线运动时，每隔设定时间获取一次机
器鱼尾鳍摆动频率和机器鱼尾鳍摆动幅度，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能
耗；
第一曲线拟合单元，用于对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所
述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗三者的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾鳍摆动
频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公
式；
第二参数获取单元，用于在所述机器鱼做转弯运动时，每隔设定时间获取一次机器鱼
尾鳍摆动频率、机器鱼尾鳍摆动幅度和机器鱼尾鳍摆动偏角，并计算所述机器鱼尾鳍单位
时间内的运动能耗；
第二曲线拟合单元，用于对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、所述
机器鱼尾鳍摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系进行曲线拟合，
得到所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单
位时间内的运动能耗之间的关系公式。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述直线运动能耗计算单元具体包括：
直线运动能耗计算子单元，用于根据公式计算所述机器鱼
匀速直线运动的能耗，其中，E_SS-L为所述机器鱼匀速直线运动距离S所消耗的能量，
E_onesecond-L为单位时间内所述机器鱼的能耗，V_L为所述机器鱼匀速游动的速度，

P₀₀,
P₁₀,P₀₁,...,P₃₂,P₂₃,P₁₄、P₀₀',P₁₀',P₀₁',...,P₃₂',P₂₃',P₁₄'均为系数，a_A为机器鱼尾鳍摆动
幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述转弯运动能耗计算单元具体包括：
转弯运动能耗计算子单元，用于根据公式计算所述机器
鱼转弯运动的能耗，其中，E_SS-C为所述机器鱼转过弧长为的弯所消耗的能量，E_onesecond-C为
单位时间内所述机器鱼的能耗，V_C为所述机器鱼的线速度，R＝
P₁a₀³+P₂a₀²+P₃a₀+P₄，L_AB为转弯起点与转弯终点之间的距离，a₀为所述机器鱼尾鳍摆动偏角，
E_onesecond-C＝P₀₀+P₁₀f+P₀₁a_A+P₂₀f²+P₁₁a_Af+P₀₂a₀，
P₁，P₂，P₃，P₄、P₀₀,P₁₀,
P₀₁,P₁₁,P₀₂,P₂₀、P₀',P₁',P₂',P₃',P₄',P₅',P₆',P₇',P₈'为系数，a_A为机器鱼尾鳍摆动幅度，f
为机器鱼尾鳍摆动频率。

一种机器鱼尾鳍运动能耗建模方法及系统

技术领域

本发明涉及建模领域，特别是涉及一种机器鱼尾鳍运动能耗建模方法及系统。

背景技术

现有技术中，在对机器鱼的运动进行研究时，往往需要计算机器鱼尾鳍的能耗，计
算公式往往采用E＝UIt这一公式计算，每当改变一次机器鱼尾鳍姿态，均要对机器鱼尾鳍
处的电压、电流进行检测，进而计算出机器鱼尾鳍的能耗，但由于机器鱼尾鳍的姿态是经常
变化的，这使得检测变得频繁，这种方式不仅耗时，而且，精度不高，不能为机器鱼的路径规
划与移动能源管理提供具有实用意义的参考。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器鱼尾鳍运动能耗建模方法及系统，根据机器鱼尾鳍
的摆动频率、幅度和偏角计算机器鱼尾鳍的运动能耗，为机器鱼的路径规划与移动能源管
理提供具有实用意义的参考。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种机器鱼尾鳍运动能耗建模方法，所述方法包括：

获取机器鱼尾鳍摆动频率；

获取机器鱼尾鳍摆动幅度；

获取机器鱼尾鳍摆动偏角；

根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位
时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼匀速直线运动的能耗；

根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器
鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼转弯运动的能耗。

可选的，在所述获取机器鱼尾鳍摆动频率之前，还包括：

在所述机器鱼做匀速直线运动时，每隔设定时间获取一次机器鱼尾鳍摆动频率和
机器鱼尾鳍摆动幅度，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗；

对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时
间内的运动能耗三者的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾
鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式；

在所述机器鱼做转弯运动时，每隔设定时间获取一次机器鱼尾鳍摆动频率、机器
鱼尾鳍摆动幅度和机器鱼尾鳍摆动偏角，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗；

对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、所述机器鱼尾鳍摆动偏
角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾
鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能
耗之间的关系公式。

可选的，所述根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机
器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼匀速直线运动的能耗，
具体包括：

根据公式计算所述机器鱼匀速直线运动的耗能，其中，
E_SS-L为所述机器鱼匀速直线运动距离S所消耗的能量，E_onesecond-L为单位时间内所述机器鱼
尾鳍的能耗，V_L为所述机器鱼匀速游动的速度，

P₀₀,P₁₀,P₀₁,...,P₃₂,P₂₃,P₁₄、P₀₀',P₁₀',P₀₁',...,P₃₂',P₂₃',P₁₄'均为系数，a_A为机
器鱼尾鳍摆动幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。

可选的，所述根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角
与所述机器鱼尾鳍单位时间内运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼转弯运动的能
耗，具体包括：

根据公式计算所述机器鱼转弯运动的耗能，其中，
E_SS-C为所述机器鱼转过弧长为的弯所消耗的能量，E_onesecond-C为单位时间内所述机器鱼的
能耗，V_C为所述机器鱼的线速度，R＝P₁a₀³+P₂a₀²+P₃a₀+P₄，L_AB为转
弯起点与转弯终点之间的距离，a₀为所述机器鱼尾鳍摆动偏角，E_onesecond-C＝P₀₀+P₁₀f+P₀₁a_A+
P₂₀f²+P₁₁a_Af+P₀₂a₀，P₁,
P₂,P₃,P₄、P₀₀,P₁₀,P₀₁,P₁₁,P₀₂,P₂₀、P₀',P₁',P₂',P₃',P₄',P₅',P₆',P₇',P₈'为系数，a_A为机器鱼
尾鳍摆动幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。

本发明还提供了一种机器鱼尾鳍运动能耗建模系统，所述系统包括：

摆动频率获取单元，用于获取机器鱼尾鳍摆动频率；

摆动幅度获取单元，用于获取机器鱼尾鳍摆动幅度；

摆动偏角获取单元，用于获取机器鱼尾鳍摆动偏角；

直线运动能耗计算单元，用于根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆
动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼匀速直
线运动的能耗；

转弯运动能耗计算单元，用于根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆
动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机
器鱼转弯运动的能耗。

可选的，所述系统还包括：

第一参数获取单元，用于在所述机器鱼做匀速直线运动时，每隔设定时间获取一
次机器鱼尾鳍摆动频率和机器鱼尾鳍摆动幅度，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动
能耗；

第一曲线拟合单元，用于对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度
与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗三者的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾鳍
摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系
公式；

第二参数获取单元，用于在所述机器鱼做转弯运动时，每隔设定时间获取一次机
器鱼尾鳍摆动频率、机器鱼尾鳍摆动幅度和机器鱼尾鳍摆动偏角，并计算所述机器鱼尾鳍
单位时间内的运动能耗；

第二曲线拟合单元，用于对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、
所述机器鱼尾鳍摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系进行曲线
拟合，得到所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾
鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式。

可选的，所述直线运动能耗计算单元具体包括：

直线运动能耗计算子单元，用于根据公式计算所述机
器鱼匀速直线运动的能耗，其中，E_SS-L为所述机器鱼匀速直线运动距离S所消耗的能量，
E_onesecond-L为单位时间内所述机器鱼的能耗，V_L为所述机器鱼匀速游动的速度，

V_L＝P₀₀'+P₁₀'*f+P₀₁'*a_A+P₂₀'*f²+P₁₁'*f*a_A+P₀₂'*a_A²+P₃₀'*f³+P₂₁'*f²*a_A

+P₁₂'*f*a_A²+P₀₃'*a_A³+P₄₀'*f⁴+P₃₁'*f³*a_A+P₂₂'*f²*a_A²+P₁₃'*f*a_A³+P₀₄'*a_A⁴，

+P₄₁'*f⁴*a_A+P₃₂'*f³*a_A²+P₂₃'*f²*a_A³+P₁₄'*f*a_A⁴+P₀₅'*a_A⁵

P₀₀,P₁₀,P₀₁,...,P₃₂,P₂₃,P₁₄、P₀₀',P₁₀',P₀₁',...,P₃₂',P₂₃',P₁₄'均为系数，a_A为机
器鱼尾鳍摆动幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。

可选的，所述转弯运动能耗计算单元具体包括：

转弯运动能耗计算子单元，用于根据公式计算所述
机器鱼转弯运动的能耗，其中，E_SS-C为所述机器鱼转过弧长为的弯所消耗的能量，
E_onesecond-C为单位时间内所述机器鱼的能耗，V_C为所述机器鱼的线速度，
R＝P₁a₀³+P₂a₀²+P₃a₀+P₄，L_AB为转弯起点与转弯终点之间的距离，
a₀为所述机器鱼尾鳍摆动偏角，E_onesecond-C＝P₀₀+P₁₀f+P₀₁a_A+P₂₀f²+P₁₁a_Af+P₀₂a₀，
P₁,P₂,P₃,P₄、P₀₀,P₁₀,
P₀₁,P₁₁,P₀₂,P₂₀、P₀',P₁',P₂',P₃',P₄',P₅',P₆',P₇',P₈'为系数，a_A为机器鱼尾鳍摆动幅度，f
为机器鱼尾鳍摆动频率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的机器
鱼尾鳍运动能耗建模方法及系统，根据机器鱼尾鳍的摆动频率、幅度和偏角计算机器鱼尾
鳍的运动能耗，由于机器鱼尾鳍的摆动频率、幅度和偏角由人为设定，无需现场检测，节约
了时间，而且，本发明采用拟合的方式得到了机器鱼尾鳍的摆动频率、幅度和偏角三个参数
与机器鱼尾鳍的运动能耗的关系，具有很高的精度，为机器鱼的路径规划与移动能源管理
提供具有实用意义的参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

图1为本发明实施例机器鱼尾鳍运动能耗建模方法流程示意图；

图2为本发明实施例机器鱼尾鳍运动能耗建模系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种根据机器鱼尾鳍的摆动频率、幅度和偏角计算机器鱼尾
鳍的运动能耗的模型，该模型具有实时性强、精度高的优势。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例机器鱼尾鳍运动能耗建模方法流程示意图，如图1所示，该方
法的具体步骤如下：

步骤101：获取机器鱼尾鳍摆动频率；

步骤102：获取机器鱼尾鳍摆动幅度；

步骤103：获取机器鱼尾鳍摆动偏角；

步骤104：根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼
尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼匀速直线运动的能耗；

步骤105：根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与
所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼转弯运动的能
耗。

在步骤101之前，还包括所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所
述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式、所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机
器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式的
拟合计算，具体为：

在所述机器鱼做匀速直线运动时，每隔设定时间获取一次机器鱼尾鳍摆动频率和
机器鱼尾鳍摆动幅度，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗，该处机器鱼尾鳍单
位时间内的运动能耗可以根据传统的公式E＝UIT计算；

对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时
间内的运动能耗三者的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾
鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式；

在所述机器鱼做转弯运动时，每隔设定时间获取一次机器鱼尾鳍摆动频率、机器
鱼尾鳍摆动幅度和机器鱼尾鳍摆动偏角，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗，
该处机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗可以根据传统的公式E＝UIT计算；

对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、所述机器鱼尾鳍摆动偏
角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾
鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能
耗之间的关系公式。

以长为295mm，宽为120mm，高为170mm，重为2.5Kg的单关节机器鱼作为研究对象。
当机器鱼尾鳍摆动频率小于1Hz时，机器鱼几乎不游动；当尾鳍摆动频率大于2.5Hz时，尾鳍
摆动过快会导致机器鱼鱼体晃动严重，因此，本文设定机器鱼尾鳍摆动频率范围为1Hz-
2.5Hz。

为更加准确的获得机器鱼尾鳍在摆动过程中一个周期内消耗的电流，采用线性拟
合的方法对一个周期内的电流数据进行拟合。

尾鳍能耗测量电路每隔2ms采集舵机的电流值，并在每2ms内进行线性拟合，其拟
合函数为：

其中，i_k——对应t_k时刻的电流值，k＝0,…,499；

I_k(t)——在相邻时刻(t_k,t_k+1)间，通过线性拟合在t时刻获得的电流。

则尾鳍在(t_k,t_k+1)内消耗的能量W_k为：

其中，U——舵机两端的工作电压；

因此，尾鳍在1s内所消耗的能量E_onesecond为：

因此，尾鳍摆动频率为1Hz所消耗的能量E_onesecond，从而得到机器鱼尾鳍在任意时
间t内的运动能耗E_SS为：

E_SS＝t×E_onesecond (4)

其中，步骤104具体包括：

根据公式计算所述机器鱼匀速直线运
动的能耗，其中，E_SS-L为所述机器鱼匀速直线运动距离S所消耗的能量，E_onesecond-L为单位时
间内所述机器鱼的能耗，V_L为所述机器鱼匀速游动的速度，

P₀₀,P₁₀,P₀₁,...,P₃₂,P₂₃,P₁₄、P₀₀',P₁₀',P₀₁',...,P₃₂',P₂₃',P₁₄'均为系数，P₀₀＝
130.6，P₁₀＝-368.3，P₀₁＝-5.16，P₂₀＝398.1，P₁₁＝12.71，P₀₂＝0.05409，P₃₀＝-205.8，P₂₁＝-
10.57，P₁₂＝-0.1773，P₀₃＝0.001434，P₄₀＝55.41，P₃₁＝2.77，P₂₂＝0.1748，P₁₃＝-0.001251，
P₀₄＝-2.145e-005，P₅₀＝-6.334，P₄₁＝-0.2167，P₃₂＝-0.02824，P₂₃＝-0.0006708，P₁₄＝
2.517e-005；P₀₀'＝20.46,P₁₀'＝20.78,P₀₁'＝-4.221,P₂₀'＝94.47,P₁₁'＝-12.16,P₀₂'＝
0.5728,P₃₀'＝-64.64,P₂₁'＝0.01504,P₁₂'＝0.6039,P₀₃'＝-0.02825,P₄₀'＝11.29,P₃₁'＝
2.136,P₂₂'＝-0.1484,P₁₃'＝-0.008354,P₀₄'＝0.0005524,P₄₁'＝-0.3927,P₃₂'＝
0.001913,P₂₃'＝0.001457,P₁₄'＝3.289e-005,P₀₅'＝-3.808e-006，a_A为机器鱼尾鳍摆动幅
度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。

步骤105具体包括：

根据公式计算所述机器鱼转弯运
动的能耗，其中，E_SS-C为所述机器鱼转过弧长为的弯所消耗的能量，E_onesecond-C为单位时间内所
述机器鱼的耗能，V_C为所述机器鱼的线速度，R＝P₁a₀³+P₂a₀²+P₃a₀+P₄，
L_AB为转弯起点与转弯终点之间的距离，a₀为所述机器鱼尾鳍摆动偏角，E_onesecond-C＝P₀₀+P₁₀f+
P₀₁a_A+P₂₀f²+P₁₁a_Af+P₀₂a₀，
P₁,P₂,P₃,P₄、P₀₀,P₁₀,P₀₁,P₁₁,P₀₂,P₂₀、P₀',P₁',P₂',P₃',P₄',P₅',P₆',P₇',P₈'为系数，P₁＝
0.005，P₂＝-0.407，P₃＝8.556，P₄＝31.18；P₀₀＝1.0842，P₁₀＝-1.2866，P₀₁＝-0.0240，P₂₀＝
31.18，P₁₁＝0.0404，P₀₂＝0.0018；P₀'＝-7.0368，P₁'＝0.2307，P₂'＝0.6714，P₃'＝-0.0007，
P₄'＝-0.0097，P₅'＝-0.0125，P₆'＝-4.7616，P₇'＝-0.0966，P₈'＝0.2960；a_A为机器鱼尾鳍
摆动幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。

本发明提供的建模方法以尾鳍摆动的运动参数偏转角、幅值和频率三个参数作为
研究对象，逐一分析每个参数对能耗的影响，拟合得到带有上述三个参数的耗能计算公式，
将机器鱼尾鳍能耗与尾鳍的运动参数关联起来，可更加直观地了解运动参数(偏转角、幅值
和频率)对能耗的影响，根据曲线拟合得到的公式，可以带入参数对耗能进行计算，无需对
耗能进行测量，实时性强，且与现有技术中耗能的计算方法相比，本发明提供的耗能模型精
度更高，能够为机器鱼的路径规划与移动能源管理提供具有实用意义的参考。

为达到上述目的，本发明还提供了一种机器鱼尾鳍运动能耗建模系统，图2为本发
明实施例机器鱼尾鳍运动能耗建模系统结构示意图，如图2所示，该系统包括：

摆动频率获取单元201，用于获取机器鱼尾鳍摆动频率；

摆动幅度获取单元202，用于获取机器鱼尾鳍摆动幅度；

摆动偏角获取单元203，用于获取机器鱼尾鳍摆动偏角；

直线运动能耗计算单元204，用于根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍
摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述机器鱼匀速
直线运动的能耗；

转弯运动能耗计算单元205，用于根据所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍
摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式，计算所述
机器鱼转弯运动的能耗。

所述系统还包括：

第一参数获取单元，用于在所述机器鱼做匀速直线运动时，每隔设定时间获取一
次机器鱼尾鳍摆动频率和机器鱼尾鳍摆动幅度，并计算所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动
能耗；

第一曲线拟合单元，用于对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度
与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗三者的关系进行曲线拟合，得到所述机器鱼尾鳍
摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系
公式；

第二参数获取单元，用于在所述机器鱼做转弯运动时，每隔设定时间获取一次机
器鱼尾鳍摆动频率、机器鱼尾鳍摆动幅度和机器鱼尾鳍摆动偏角，并计算所述机器鱼尾鳍
单位时间内的运动能耗；

第二曲线拟合单元，用于对所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、
所述机器鱼尾鳍摆动偏角与所述机器鱼尾鳍单位时间内的运动能耗之间的关系进行曲线
拟合，得到所述机器鱼尾鳍摆动频率、所述机器鱼尾鳍摆动幅度、摆动偏角与所述机器鱼尾
鳍单位时间内的运动能耗之间的关系公式。

其中，所述直线运动能耗计算单元204具体包括：

直线运动能耗计算子单元，用于根据公式计算所述机器
鱼匀速直线运动的能耗，其中，E_SS-L为所述机器鱼匀速直线运动距离S所消耗的能量，
E_onesecond-L为单位时间内所述机器鱼的能耗，V_L为所述机器鱼匀速游动的速度，

P₀₀,P₁₀,P₀₁,...,P₃₂,P₂₃,P₁₄、P₀₀',P₁₀',P₀₁',...,P₃₂',P₂₃',P₁₄'均为系数，a_A为机
器鱼尾鳍摆动幅度，f为机器鱼尾鳍摆动频率。

所述转弯运动能耗计算单元205具体包括：

转弯运动能耗计算子单元，用于根据公式计算所述
机器鱼转弯运动的能耗，其中，E_SS-C为所述机器鱼转过弧长为的弯所消耗的能量，
E_onesecond-C为单位时间内所述机器鱼的能耗，V_C为所述机器鱼的线速度，
R＝P₁a₀³+P₂a₀²+P₃a₀+P₄，L_AB为转弯起点与转弯终点之间的距离，
a₀为所述机器鱼尾鳍摆动偏角，E_onesecond-C＝P₀₀+P₁₀f+P₀₁a_A+P₂₀f²+P₁₁a_Af+P₀₂a₀，
P₁,P₂,P₃,P₄、P₀₀,P₁₀,
P₀₁,P₁₁,P₀₂,P₂₀、P₀',P₁',P₂',P₃',P₄',P₅',P₆',P₇',P₈'为系数，a_A为机器鱼尾鳍摆动幅度，f
为机器鱼尾鳍摆动频率。

本发明提供的建模系统以尾鳍摆动的运动参数偏转角、幅值和频率三个参数作为
研究对象，逐一分析每个参数对能耗的影响，拟合得到带有上述三个参数的耗能计算公式，
将机器鱼尾鳍能耗与尾鳍的运动参数关联起来，可更加直观地了解运动参数(偏转角、幅值
和频率)对能耗的影响，根据曲线拟合得到的公式，可以带入参数对耗能进行计算，无需对
耗能进行测量，实时性强，且与现有技术中耗能的计算方法相比，本发明提供的耗能模型精
度更高，能够为机器鱼的路径规划与移动能源管理提供具有实用意义的参考。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说
明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。