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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410800422.7 (22)申请日 2014.12.18 B63H 1/36(2006.01) B63H 1/30(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 毕树生 曹勇 蔡月日 马宏伟 (74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 赵文颖 (54) 发明名称 一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运 动的实现方法 (57) 摘要 本发明公开了一种胸鳍拍动式机器鱼快速大 俯仰角变化运动的实现方法,包括以下几个步骤 : 步骤 1、建立快速。
2、俯仰运动学模型 ;步骤 2、建立具 有时间、空间非对称特征的相位振荡器模型;步 骤3.建立CPG控制网络结构 ;步骤4、建立快速俯 仰运动控制系统。本发明采用多驱动的胸鳍与尾 部协调运动,通过空间、时间非对称运动特性,致 使机器鱼能够产生的俯仰力矩远大于通过鱼鳔或 单一尾鳍偏转所产生的力矩,因此本发明能够实 现胸鳍拍动式机器鱼快速俯仰 ( 俯仰角变化大于 60 ) 运动,大大提升机器鱼面对水下垂直壁面 型障碍物的越障、避障能力。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书4页 说明书8页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104477357。
3、 A (43)申请公布日 2015.04.01 CN 104477357 A 1/4 页 2 1.本发明的一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法,包括以下几个 步骤 : 步骤 1、建立快速俯仰运动学模型 通过采集胸鳍拍动式鱼类牛鼻鲼快速爬升姿态过程的视频信息,选取牛鼻鲼胸鳍和尾 部边缘数据点,生成边缘数据点的位置信息,定义相对坐标系 OXYZ,坐标原点 O 为头部右侧 边缘线与右侧胸鳍边缘线的交点 ;X 轴沿胸鳍展向方向,即躯干宽度方向 ;Y 轴沿胸鳍弦向 方向,即躯干长度方向 ;Z 轴方向由右手定则确定,垂直于鱼体躯干平面 ;从数据点中选取 典型特征点胸鳍前缘中点P 1 、胸鳍前。
4、后缘交叉点P 2 、胸鳍后缘中点P 3 、尾鳍顶端点T 7 ,得到这 四个点的坐标随时间的变化关系,其中 Z 轴坐标以点 P 2 拍动的最大振幅 max A 为单位,下 标 a、b、c 分别对应各点运动周期中的起始点、中间点、终止点 ; s i i +A i sin(2v i t+ i0 ) (1) ij0 j0 - i0 (4) 其中 s i 、A i 、A i 、v i 、t 、 i0 分别表示第 i 个边缘点对应的 Z 向位移、振幅偏置、振幅、频 率、时间、初始相位 ;v i_up 、v i_down 表示向上拍动频率、向下拍动频率 ;A i_max 、A i_min 表示振幅最 大值即。
5、正振幅、最小值即 ; ij0 表示第 j 边缘点与第 i 个边缘点之间的初始相位差 ; 鱼体快速爬升运动学模型参数具体如下,胸鳍上拍的时间为下拍的 0.8/0.43 倍,上拍 的频率 v 2_up 是下拍频率 v 2_down 的 0.43/0.8 倍,约为 0.5 倍 ;尾部上拍频率 v 7_up 为下拍频率 v 7_down 的 0.27/0.53 倍,约为 2 倍 ;尾部 T 7 在胸鳍 P 1 点开始下拍时刻从 Z 坐标 0 处开始上 拍 ,在 P 1 下拍到最大值时刻达到最大振幅值,即 T 7 与P 1 之间相位差 170 约 180 ;胸鳍 正振幅 A 2_max 为负振幅 A 2。
6、_min 的 0.54/1 倍,尾部正振幅 A 7_max 为 0.29 max A,负振幅 A 7_min 约 为 0 ;胸鳍边缘点 P 1 、P 2 、P 3 之间的相位差 ij0 约为 30至 45 ; 步骤 2、建立具有时间、空间非对称特征的相位振荡器模型 建立振荡器模型如下 : i x i +r i sin( i ) (8) i X i +R i sin(2v i t+ 0 ) (9) 权 利 要 求 书CN 104477357 A 2/4 页 3 其中参数 i 表示 CPG 单元序号,取值为 1 7, i ,r i ,x i , i 分别表示相位、振幅、偏置 和输出,公式 (5)、。
7、(6)、(7)、(8) 分别为相位方程、振幅方程、偏置方程和输出方程 ;相位方 程主要控制各连接单元间的相位关系,其中, i 、 ij 、 分别表示频率、i 单元与 j 单元 间的连接权重、期望相位差,当连接权重值越大时,表示j单元对i单元的相位影响越显著 ; 振幅方程中,R i 表示期望振幅,a i 为正值常数,当a i 值越大时,r i 趋近于R i 速度越快,光滑度 降低 ;偏置方程与振幅方程具有一样的数学表达形式,X i 为期望偏置,b i 为正值常数,主要 用于控制机器鱼的空间非对称拍动 ;输出方程中 i 作为单个运动关节舵机的角度输入 ; CPG 振荡器的极限环如公式 (9) 所示。
8、, 0 为初始相位,此时相位与期望相位差存在如 公式 (10) 所示的关系,由此关系推出 CPG 网络结构中任意两个单元间的连接关系 ;由于相 位振荡器模型具有振幅独立控制的特性,因此单元间的相互连接关系表现为相位关系,如 CPG 单元 2 与 5 的关系如公式 (11) 所示 ; 公示 (12) 为空间非对称表述方程,其中 i 为空间非对称系数,表示驱动单元输出最 大值与整个下拍或上拍行程的比值 ;当 i 为 1/2 时,表示空间对称拍动 ;当 i 为 2/3 时, i 正向振幅是负向振幅的 2 倍 ;当 i 为 1/3 时, i 负向振幅是正向振幅的 2 倍 ; 公示 (13) 为时间非对。
9、称表述方程,以 CPG 单元 1 的输出斜率 作为判断胸鳍上拍、下 拍的依据 ; 为正时,表示胸鳍上拍,频率 i 为上拍频率 i_up ; 为负时,表示胸鳍下拍, 频率 i 为下拍频率 i_down ; 公示(14)、(15)引入时间非对称系数 i ,表示上拍行程所用时间与整个上下拍运动周 期的比值,取值为 (0,1),T i 为拍动周期 ; i 为 0.5 时,表示时间对称拍动 ; i 为 2/3 时,表 权 利 要 求 书CN 104477357 A 3/4 页 4 示上拍时间是下拍时间的2倍,即上拍频率是下拍频率的1/2倍 ; i 为1/3时,表示上拍时 间是下拍时间的 1/2 倍,即上。
10、拍频率是下拍频率的 2 倍 ; 公示 (16) 为频率连续性过渡方程,通过指数函数避免频率 i_up 与 i_down 之间切换时 的跳跃,使之连续光滑,k 为常数,用于控制频率过渡的快慢程度 ; 公示 (17) 为 CPG 振荡器模型的最终表述形式,包含频率方程、相位方程、振幅方程、偏 置方程和输出方程,实现胸鳍拍动式机器鱼 8 个驱动舵机输出角度的振幅、频率、相位差、 空间非对称特征和时间非对称特征的可控性 ; 步骤 3. 建立 CPG 控制网络结构 根据机器鱼 8 个运动关节间的相互关系特性,确定最简化 CPG 网络结构,包括 7 个 CPG 单元,单元 1、23 为右侧胸鳍控制单元、单。
11、元 4、56 为左侧胸鳍控制单元、单元 7 为尾部控 制单元 ;以单元 1 作为主控单元,负责右侧胸鳍单元间的通信,并与左侧胸鳍、尾部通信 ;单 元 4 作为左侧胸鳍的主控单元 ; CPG 网络结构参数 : T 1 T 2 T 7 T T 1.25,2.5 (20) R 1 R 2 R 7 T 1.5R 2R 3R 1.5R 2R 3R 4R T (21) 1 2 7 T 1- T (22) 1 2 7 T 2-3 (23) CPG 网络结构连接权重矩阵如公式 (18) 所示,网络权重值设为 2,将 91 单独设为 4, 相位差矩阵如公式 (19) 所示,设定如下 :单侧胸鳍 CPG 单元间的。
12、相位差约为 30,即单元 1 比 2 相位超前 30,单元 2 比 3 相位超前 30;左右侧胸鳍 CPG 单元 1 和 4 同步拍动 ;单 元 7 相位滞后单元 1 相位为 180,即尾部运动与胸鳍运动反向 ; 所有 CPG 单元周期设定为同一值 T 1.25,2.5,即频率为 0.4 至 0.8Hz 范围内 ;所 有 CPG 单元幅度设定如公式 (21) 所示 ;参数 T 和 R 决定俯仰运动的速度 ; CPG单元16的时间非对称系数设定为,单元7为1-,保证胸鳍上拍频率与尾部 下拍频率相等,胸鳍下拍频率与尾部上拍频率相等 ; CPG 单元 1 6 的空间非对称系数设定为 ,单元 7 的空。
13、间非对称系数由快速俯仰运 权 利 要 求 书CN 104477357 A 4/4 页 5 动学数据归纳总结为 2-3 ; 胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的方向、加速度主要由时间非对称系数 、 空间非对称系数 决定 ;当 大于 0.5 且 小于 0.5 时,实现快速爬升运动 ;当 小于 0.5 且 大于 0.5 时,实现快速下沉运动 ; 步骤 4、建立快速俯仰运动控制系统 高级控制中心根据陀螺仪、加速度计、深度计、红外传感器反馈的信息决策出期望俯仰 角 ;模糊控制器根据期望俯仰角与从陀螺仪反馈回的实际俯仰角信息,生成 CPG 控制参数 T、R、 ;这些参数经过 CPG 网络的迭代计算,生成。
14、机器鱼各运动组件舵机的脉冲信号, 从而实现机器鱼快速俯仰运动的控制。 权 利 要 求 书CN 104477357 A 1/8 页 6 一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法 技术领域 0001 本发明属于仿生学技术领域,具体涉及一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化 运动的实现方法。 背景技术 0002 胸鳍拍动式鱼类,如魔鬼鱼 Manta、牛鼻鲼和鹰嘴鹞等,通过拍动胸鳍使波动变形 沿胸鳍弦向传递(胸鳍上传递波长小于1),产生推进力和升力,通过尾鳍微调俯仰运动。胸 鳍拍动式机器鱼具备良好的机动性、稳定性、推进效率。其高机动性由胸鳍和尾部 ( 躯干后 三分之一部分和尾鳍部分 ) 的主动。
15、变形协调控制,实现快速俯仰、小半径转弯、滑翔、翻滚 等姿态。胸鳍拍动式机器鱼具备的快速俯仰、零半径径转弯等高机动能力具有重要意义,为 实现复杂地形下的海洋探测、军事侦察提供实际应用可能。 0003 现有的胸鳍拍动式机器鱼主要采用两种方式实现俯仰运动。第一种方式为利用鱼 鳔原理实现俯仰运动,通过改变机器鱼自身浮力、浮心位置实现升潜运动,通常这种方式由 于可以改变的排水量范围有限、俯仰力矩的力臂变化有限,从而无法短时间内产生足够的 俯仰姿态变化或机器鱼深度变化 ;并且需要控制俯仰运动的鱼鳔装置,增加机械结构复杂 度。第二种方式为利用后部尾鳍,在具备较大游动速度情况下,通过改变尾鳍俯仰角度被动 产生。
16、俯仰力矩,其原理在于通过尾鳍偏转改变流体速度方向,从而获得相互作用力,跟喷气 式飞机尾翼原理类似 ;这种方式在高游动速度下比较有效,在低游动速度下基本失效,且短 时间内无法形成大俯仰角变化。为使胸鳍拍动式机器鱼面对陡峭型障碍物时,具备较强的 越障能力,发明一种不受游动速度限制的快速大俯仰角变化运动的实现方法尤为重要。 发明内容 0004 本发明为了解决传统胸鳍拍动式机器鱼依靠鱼鳔原理或尾鳍无法实现快速且 超过60的大俯仰姿态变化的问题,提出一种生物中枢模式发生器Central Pattern Generator( 简称 CPG) 控制方法,协调控制多驱动胸鳍与尾部实现胸鳍拍动式机器鱼快速 大俯。
17、仰角变化的运动 ( 简称快速俯仰运动 )。 0005 本发明的一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法,包括以下几 个步骤 : 0006 步骤 1、建立快速俯仰运动学模型 ; 0007 步骤 2、建立具有时间、空间非对称特征的相位振荡器模型 ; 0008 步骤 3. 建立 CPG 控制网络结构 ; 0009 步骤 4、建立快速俯仰运动控制系统。 0010 本发明的优点在于 : 0011 (1) 采用多驱动的胸鳍与尾部协调运动,通过空间、时间非对称运动特性,致使机 器鱼能够产生的俯仰力矩远大于通过鱼鳔或单一尾鳍偏转所产生的力矩,因此本发明能够 实现胸鳍拍动式机器鱼快速俯仰 ( 俯仰角变。
18、化大于 60 ) 运动,大大提升机器鱼面对水下 说 明 书CN 104477357 A 2/8 页 7 垂直壁面型障碍物的越障、避障能力。 0012 (2)通过CPG控制方法可以进行复杂的多驱动系统参数简化,并通过CPG网络结构 和单元间的耦合关系形成各种特定的工作模式,并且能够实现各模式间的顺滑切换 ;本发 明采用 CPG 控制方法将快速俯仰运动简化为一种运动模式,协调控制多驱动胸鳍与尾部, 实现快速俯仰运动模型中胸鳍与尾部的时间、空间非对称拍动特性及其相互间的运动关 系,并且降低了控制参数的维数,最终通过控制周期、振幅、时间非对称系数、空间非对称系 数实现胸鳍拍动式机器鱼的快速俯仰运动。 。
19、附图说明 0013 图 1 是本发明的牛鼻鲼快速爬升姿态示意图 ; 0014 图 2 是本发明的牛鼻鲼快速爬升姿态数据分析示意图 ; 0015 图 3 是本发明的 CPG 控制网络结构示意图 ; 0016 图 4 是本发明的快速俯仰运动控制系统示意图。 具体实施方式 0017 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 0018 本发明主要保护的技术方案 : 0019 (1) 提出胸鳍拍动式鱼类胸鳍与尾部联合拍动实现快速俯仰的运动学模型,包括 胸鳍拍动过程中空间非对称性特征 ( 以鱼类躯干平面为参考平面,躯干平面上侧的胸鳍拍 动幅度与下侧的拍动幅度不相等 )、时间非对称性特征 ( 胸鳍。
20、向下拍动行程的时间与向上 拍动行程的时间不相等 ),尾部拍动的空间、时间非对称性特征,以及胸鳍与尾部的运动关 系。 0020 (2) 提出基于相位振荡器模型的 CPG 控制方法,在胸鳍拍动式机器鱼上实现快速 俯仰运动,包括构建特殊结构形式的CPG网络,确定CPG单元间的耦合关系,提出空间、时间 非对称性特征的实现方式。 0021 (4) 具备时间、空间非对称特征的 CPG 相位振荡器模型 : 0022 0023 式 中 , i 、 i 分别为空间非对称系数、时间非对称系数,i、j 表示 CPG 单元序号 ( 取值为 1 7), i 、 i 、r i 、x i 、 i 分别表示频率、相位、振幅、。
21、偏置和角度输出,T i 、 ij 、 分别表示周期、i 单元与 j 单元间的连接权重、期望相位差,R i 、X i 分别为期望振幅、期 说 明 书CN 104477357 A 3/8 页 8 望偏置,k、a i 、b i 为正值常数。 0024 (5)CPG 控制网络结构形式 : 0025 CPG 控制网络结构包括 7 个 CPG 模型单元,包括右侧胸鳍 ( 单元 1、2、3)、左侧胸鳍 ( 单元 4、56)、尾部 ( 单元 7) 三个部分。以单元 1 作为主控单元,负责右侧胸鳍单元间的 通信,并与左侧胸鳍、尾部通信 ;单元 4 作为左侧胸鳍的主控单元。 0026 本发明的一种胸鳍拍动式机器鱼。
22、快速大俯仰角变化运动的实现方法,包括以下几 个步骤 : 0027 步骤 1、建立快速俯仰运动学模型 0028 首先,采集胸鳍拍动式鱼类牛鼻鲼快速爬升姿态过程的视频信息,每秒采集 30 帧 图像,如图 1 所示,图像下方标注表示帧图像采集时刻 ;然后,利用 Matlab 软件编写程序进 行数据分析,人为选取牛鼻鲼胸鳍和尾部边缘数据点,由程序记录并生成边缘数据点的位 置信息,其中特征点的位置时间关系如图 2 所示 ,。在牛鼻鲼鱼体上定义相对坐标系 OXYZ, 坐标原点 O 为头部右侧边缘线与右侧胸鳍边缘线的交点 ;X 轴沿胸鳍展向方向,即躯干宽度 方向 ;Y 轴沿胸鳍弦向方向,即躯干长度方向 ;Z。
23、 轴方向由右手定则确定,垂直于鱼体躯干平 面。从众多边缘数据点中选取典型特征点胸鳍前缘中点P 1 、胸鳍前后缘交叉点P 2 、胸鳍后缘 中点P 3 、尾鳍顶端点T 7 ,得到这四个点的坐标随时间的变化关系,如图2所示,其中Z轴坐标 以点 P 2 拍动的最大振幅 max A 为单位,下标 a、b、c 分别对应各点运动周期中的起始点、中 间点、终止点。 0029 s i A i +A i sin(2v i t+ i0 ) (I) 0030 0031 0032 ij0 j0 - i0 (4) 0033 由图 2 的数据分析建立如公式 (1-4) 所示的运动学模型,其中 s i 、A i 、A i 、。
24、v i 、t 、 i0 分别表示第 i 个边缘点对应的 Z 向位移、振幅偏置、振幅、频率、时间、初始相位 ;v i_up 、 v i_down 表示向上拍动频率、向下拍动频率,当二者不相等时,上拍和下拍的时间不相等,定义 这种特性为时间非对称性 ;A i_max 、A i_min 表示振幅最大值 ( 又名正振幅 )、最小值 ( 又名负振 幅),当A i_max 与A i_min 绝对值不相等时,定义这种特性为空间非对称性 ; ij0 表示第 j 边 缘点与第 i 个边缘点之间的初始相位差,用于表征边缘点之间的相互运动关系。胸鳍拍动 式鱼类快速俯仰运动中,胸鳍与尾部运动是具有时间、空间非对称特征。
25、的类正弦运动,且不 同部位点间存在相位差联系。 0034 鱼体快速爬升运动学模型参数具体如下,胸鳍与尾部存在显著时间非对称特征, 胸鳍上拍的时间 ( 以 P 2 为参考标准,P 2b 到P 2c ,为 0.8s) 为下拍 (P 2a 到P 2b ,为 0.43s) 的 0.8/0.43 倍,上拍的频率 v 2_up 是下拍频 v 2_down 的 0.43/0.8 倍,约为 0.5 倍 ;尾部呈现相反 特征,上拍频率 v 7_up 为下拍频率 v 7_down 的 0.27/0.53 倍 ( 上拍 T 7a 到T 7b ,为 0.27s ;下拍 T 7b 到T 7c ,为 0.53s),约为 。
26、2 倍。此外,尾部 T 7 在胸鳍 P 1 点开始下拍时刻从 Z 坐标 0 处开始上 拍 ,在 P 1 下拍到最大值时刻达到最大振幅值,即 T 7 与P 1 之间相位 170 约 180。胸鳍与 说 明 书CN 104477357 A 4/8 页 9 尾部之间 180相位差特征是为了保证胸鳍下拍的过程,尾部上拍,正好形成同方向的俯仰 力矩 ;时间非对称特征是为了保证胸鳍下拍、尾部上拍行程中,产生大的俯仰力矩,而在相 反的行程中尽量弱化产生负向的俯仰力矩。另一方面,胸鳍与尾部还存在显著空间非对称 拍动特征,胸鳍正振幅 A 2_max 为负振幅 A 2_min 的 0.54/1 倍 ( 参考 P 。
27、2a 、P 2b 点 ),尾部正振幅 A 7_ max 为 0.29max A,负振幅 A 7_min 约为 0。这种特征是由于胸鳍的发力行程为下拍行程,尾鳍的 发力行程为上拍行程,导致惯性作用很大,加之胸鳍、躯干后部柔性较大,因此跟随效应比 较明显,从而形成空间非对称性特征。此外,胸鳍边缘点 P 1 、P 2 、P 3 之间的相位差 ij0 为 30至 45,例如 P 1a 与P 2a 时间相差 0.07s,P 2a 与P 3a 相差 0.1s,胸鳍下拍时间为 0.43s( 对 应半个运动周期,即 180的相位 ),因此 P 1a 与P 2a 相差 30 (0.07*180/0.43),P 。
28、2a 与P 3a 相 差 42 (0.1*180/0.43)。 0035 步骤 2、建立具有时间、空间非对称特征的相位振荡器模型 0036 实验装置采用一种多关节仿牛鼻鲼机器鱼,其内部骨架如专利所述 ( 专利名称 : “一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架”,申请号 :201110165217.4),整个机器鱼内部骨架由外部 弹性透水布料蒙皮包裹,构成整个机器鱼。其驱动骨架由一个躯干 (1) 和八个运动关节组 成,八个运动关节以躯干 (1) 左右对称布置 ;所述的八个运动关节是指第一左关节运动组 件(11)、第二左关节运动组件(12)、第三左关节运动组件(13)、第四左关节运动组件(14)、 第一右关节。
29、运动组件 (21)、第二右关节运动组件 (22)、第三右关节运动组件 (23) 和第四 右关节运动组件 (24) ;其中,第一左关节运动组件 (11) 与第一右关节运动组件 (21) 的结 构相同,且对称安装在躯干 (1) 的左右 ;第二左关节运动组件 (12) 与第二右关节运动组件 (22) 的结构相同,且对称安装在躯干 (1) 的左右 ;第三左关节运动组件 (13) 与第三右关节 运动组件(23)的结构相同,且对称安装在躯干(1)的左右 ;第四左关节运动组件(14)与第 四右关节运动组件 (24) 的结构相同,且对称安装在躯干 (1) 的左右。右侧胸鳍的第一右关 节运动组件 (21)、第二。
30、右关节运动组件 (22)、第三右关节运动组件 (23)、第四右关节运动 组件 (24) 的末端点分别对应控制机器鱼右侧胸鳍前缘中点 P 1 的位移、前后缘交叉点 P 2 的 位移、后缘中点位移的P 3 、尾部顶端点T 7 的位移 ;左侧胸鳍运动组件与胸鳍和尾部边缘点之 间存在相同的对应关系。 0037 机器鱼每个运动关节只需一个舵机驱动,建立振荡器模型 ( 又名 CPG 单元 ),每个 振荡器模型的输出作为单个运动关节的舵机角度输入,对应关系如下 :CPG 单元 1 对应组件 (21),CPG 单元 2 对应组件 (22),CPG 单元 3 对应组件 (23),CPG 单元 4 对应组件 (1。
31、1),CPG 单元 5 对应组件 (12),CPG 单元 6 对应组件 (13),CPG 单元 7 作为组件 (24) 和组件 (14) 的 共同控制信号。CPG 单元主要产生具有时间、空间非对称性的类正弦信号,作为运动关节舵 机的角度输入信号,运动关节舵机角度输出与运动关节末端点的 Z 轴位移可近似为线性关 系,二者之间换算只需乘以一个比例系数即可,因此通过舵机角度输出控制对应运动关节 末端点位置,这样直接将运动关节舵机角度输出视为控制目标参数。 0038 建立振荡器模型如下 : 0039 0040 说 明 书CN 104477357 A 5/8 页 10 0041 0042 i x i +。
32、r i sin( i ) (8) 0043 i X i +R i sin(2v i t+ 0 ) (9) 0044 0045 0046 0047 0048 0049 0050 0051 0052 其中参数 i 表示 CPG 单元序号,取值为 1 7, i ,r i ,x i , i 分别表示相位、振幅、 偏置和输出,公式 (5)、(6)、(7)、(8) 分别为相位方程、振幅方程、偏置方程和输出方程。相 位方程主要控制各连接单元间的相位关系,其中, i 、 ij 、 分别表示频率、i单元与j单 元间的连接权重、期望相位差,当连接权重值越大时,表示 j 单元对 i 单元的相位影响越显 著。振幅方程。
33、中,R i 表示期望振幅,a i 为正值常数,当 a i 值越大时,r i 趋近于 R i 速度越快, 光滑度降低。偏置方程与振幅方程具有一样的数学表达形式,X i 为期望偏置,b i 为正值常 数,主要用于控制机器鱼的空间非对称拍动。输出方程中 i 作为单个运动关节舵机的角 度输入。 0053 CPG 振荡器的极限环如公式 (9) 所示, 0 为初始相位,此时相位与期望相位差存 在如公式 (10) 所示的关系,由此关系可以推出 CPG 网络结构中任意两个单元间的连接关 系。由于相位振荡器模型具有振幅独立控制的特性,因此单元间的相互连接关系表现为相 说 明 书CN 104477357 A 6/。
34、8 页 11 位关系。例如 2、5 单元间的稳定后相位差由单元 2、1、4 间的期望相位差决定,如公式 (11) 所示。 0054 公示 (12) 为空间非对称表述方程,其中 i 为空间非对称系数,表示驱动单元输 出最大值与整个下拍 ( 或上拍 ) 行程的比值。当 i 为 1/2 时,表示空间对称拍动 ;当 i 为 2/3 时, i 正向振幅是负向振幅的 2 倍 ;当 i 为 1/3 时, i 负向振幅是正向振幅的 2 倍。 0055 公示 (13) 为时间非对称表述方程,以 CPG 单元 1 的输出斜率 作为判断胸鳍上 拍、下拍的依据 ; 为正时,表示胸鳍上拍,频率 i 为上拍频率 i_up。
35、 ; 为负时,表示胸鳍 下拍,频率 i 为下拍频率 i_down 。公示 (14)、(15) 引入时间非对称系数 i ,表示上拍行 程所用时间与整个上下拍运动周期的比值,取值为 (0,1),T i 为拍动周期 ; i 为 0.5 时,表 示时间对称拍动 ; i 为2/3时,表示上拍时间是下拍时间的2倍,即上拍频率是下拍频率的 1/2 倍 ; i 为 1/3 时,表示上拍时间是下拍时间的 1/2 倍,即上拍频率是下拍频率的 2 倍。 公示 (16) 为频率连续性过渡方程,通过指数函数避免频率 i_up 与 i_down 之间切换时的跳 跃,使之连续光滑,k 为常数,用于控制频率过渡的快慢程度, 。
36、越大,过渡越快但越不平滑, k越小过渡越平滑但过渡时间越长。公示(16)为频率的最终表达式,由时间非对称系数 i 和周期 T i 确定。 0056 公示 (17) 为 CPG 振荡器模型的最终表述形式,包含频率方程、相位方程、振幅方 程、偏置方程和输出方程,实现胸鳍拍动式机器鱼 8 个驱动舵机输出角度的振幅、频率、相 位差、空间非对称特征和时间非对称特征的可控性,满足快速大俯仰角变化运动的姿态需 求。 0057 步骤 3. 建立 CPG 控制网络结构 0058 根据机器鱼 8 个运动关节间的相互关系特性,确定如图 3 所示的最简化 CPG 网络 结构,包括 7 个 CPG 单元,包括右侧胸鳍 。
37、( 单元 1、23)、左侧胸鳍 ( 单元 4、56)、尾部 ( 单 元 7) 三个部分。以单元 1 作为主控单元,负责右侧胸鳍单元间的通信,并与左侧胸鳍、尾部 通信 ;单元 4 作为左侧胸鳍的主控单元。 0059 CPG 网络结构参数 : 0060 0061 说 明 书CN 104477357 A 7/8 页 12 0062 T 1 T 2 T 7 T T 1.25,2.5 (20) 0063 R 1 R 2 R 7 T 1.5R 2R 3R 1.5R 2R 3R 4R T (21) 0064 1 2 7 T 1- T (22) 0065 1 2 7 T 2-3 (23) 0066 CPG网络。
38、结构连接权重矩阵如公式(18)所示,由图3所示CPG网络结构确定,网络 权重值设为 2,由于单元 1 与 7 的相位差为 180,正常的连接权重会导致过渡时间较长,响 应较慢,因此将 91 单独设为4,目的是增大CPG单元1对躯干单元9的影响,使单元9的相 位差过渡时间缩短。相位差矩阵如公式 (19) 所示,设定如下 :单侧胸鳍 CPG 单元间的相位 差约为 30,即单元 1 比 2 相位超前 30,单元 2 比 3 相位超前 30 ;左右侧胸鳍 CPG 单 元 1 和 4 同步拍动 ;单元 7 相位滞后单元 1 相位为 180,即尾部运动与胸鳍运动反向。 0067 所有CPG单元周期设定为同。
39、一值T1.25,2.5,即频率为0.4至0.8Hz范围内, 保证在驱动舵机的驱动能力范围内,T 越小,俯仰速度越快。所有 CPG 单元幅度设定如公式 (21) 所示,R 越大,俯仰速度越快。参数 T 和 R 主要决定俯仰运动的速度。 0068 快速爬升参数实例 : 0069 0070 0071 快速下沉参数实例 : 0072 0073 0074 CPG单元16的时间非对称系数设定为,单元7为1-,保证胸鳍上拍频率与 尾部下拍频率相等,胸鳍下拍频率与尾部上拍频率相等。例如机器鱼快速爬升参数实例中, 为 2/3,保证胸鳍下拍频率是上拍频率的 2 倍,尾部下拍频率是上拍频率的 1/2 倍 ;快速 下。
40、沉参数实例中, 为 1/3,保证胸鳍下拍频率是上拍频率的 1/2 倍,尾部下拍频率是上拍 频率的 2 倍。 0075 CPG 单元 1 6 的空间非对称系数设定为 ,单元 7 的空间非对称系数由快速俯 仰运动学数据归纳总结为 2-3。例如快速爬升参数实例中,CPG 单元 1 6 的空间非对称 系数为1/3,即振幅极小值为极大值的2倍 ;单元7的空间非对称系数为1,即振幅极小值为 0,极大值为 8R ;快速下沉参数实例中,CPG 单元 1 6 的空间非对称系数为 2/3,即振幅极 说 明 书CN 104477357 A 8/8 页 13 小值绝对值为极大值的1/2倍 ;单元7的空间非对称系数为0。
41、,即振幅极小值为-8R,极大值 为 0。 0076 胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的方向、加速度主要由时间非对称系数 、空间非对称系数 决定。当 大于 0.5 且 小于 0.5 时,实现快速爬升运动, 越 大, 越小,能达到的最大爬升俯仰角越大,角加速度越大 ;当 小于 0.5 且 大于 0.5 时,实现快速下沉运动, 越小, 越大,能达到的最大下沉俯仰角越大,角加速度越大。 0077 步骤 4、建立快速俯仰运动控制系统 0078 快速俯仰运动控制系统如图 4 所示,高级控制中心根据陀螺仪、加速度计、深度 计、红外传感器反馈的信息决策出期望俯仰角 ;模糊控制器根据期望俯仰角与从陀螺仪反 馈回的实际俯仰角信息,生成 CPG 控制参数 T、R、 ;这些参数经过 CPG 网络的迭代计 算,生成机器鱼各运动组件舵机的脉冲信号,从而实现机器鱼快速俯仰运动的控制。 说 明 书CN 104477357 A 1/2 页 14 图1 说 明 书 附 图CN 104477357 A 2/2 页 15 图2 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104477357 A 。