CN104554681A - 机器海豚的运动控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器海豚的运动控制方法，包括：加速阶段、上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共5个阶段，其中加速阶段采用攻角算法，将尾鳍的攻角控制在最佳的角度，最大化推进力，从而使机器海豚达到最高游速；在其余4个阶段，通过调整每个过程中机器海豚的姿态、速度、方向等参数使机器海豚达到最大的跃出水面的高度。本发明的方法可以使机器海豚达到每秒数倍体长的高速度，比现有速度大幅度提升，从而首次完成了仿生机构推进下的机器海豚跃出水面的动作。

Description

机器海豚的运动控制方法和装置

技术领域

本发明涉及仿生学领域，更具体地涉及一种机器海豚的运动控制方法和装置。

背景技术

在长期的进化过程中，很多鱼类具有快速游动的能力。快速的游动不仅可以帮助鱼类逃避敌害，也有助于捕食其他鱼类，鱼类快速游动机制是很多国内外学者关注和研究的重要领域。基于快速游动的仿生机器鱼的研究具有重要的研究价值和应用前景，特别是在复杂环境中的水下作业、军事侦察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景广阔。同时，海豚可以跃出水面，帮助其换气和躲避敌害。海豚不但具有快速游动的能力，同时，还具有高超的运动技巧。海豚在水下有可以与鱼相媲美的游速及机动性，同时还能完成跃水等高难度动作，因此，机器海豚具有很大的研究价值，其游动、跃水等控制受到越来越多学者的重视。

在获得高游速方面，许多研究者做了大量的工作。对于国外的研究系统，游泳速度比较快的机器鱼包括日本船舶公司的UPF-2001、PF-700机器鱼等等，它们是针对鱼类快速游动的特征设计的，其游泳速度均可达1倍体长/秒。目前有文献可查的最高游速为北航的SPC-II型机器鱼，其最高游速可达1.2倍体长/秒。但这仍与海豚或鱼类的游速有一定差距，更难以实现跃水等以高游速为前提的高难度动作。在跃水方面，由于现有的机器鱼及机器海豚的游速普遍偏低，因此尚未见有成功的实验报导。但是在非仿生推进的前提下，则有以螺旋桨为动力的Seabreacher X系列等载人潜水器能够模仿海豚的跃水动作，不过目前尚没有仿生推进下的机器鱼或机器海豚跃出水面的报告。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一是设计一种仿生机器海豚的运动控制方法，从而可以使机器海豚达到每秒数倍体长的高速度，并以此为基础完成跃出水面的动作。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种机器海豚的运动控制方法，所述运动控制方法采用攻角算法来控制所述机器海豚尾鳍的拍打动作，从而使所述机器海豚加速游动，其中

根据所述机器海豚尾鳍获得的升力和阻力的关系，在所述机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度，从而最大化推进力；以及

在所述机器海豚尾鳍拍水过程中，根据推导出的所述机器海豚合适的尾关节的关节角与俯仰角、腰关节的关节角与游速之间的数学关系式，使所述机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前。

其中，所述机器海豚的运动关节至少包括腰关节和尾关节。

其中，所述在机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度的步骤包括：

步骤3.1为了使游速极大化，攻角应该尽量保持为升力系数最大时的15°；

步骤3.2当尾鳍移动角小于1.69°时，所述机器海豚的攻角为0°，当尾鳍移动角大于5.71°时，攻角设置为15°；

步骤3.3尾鳍移动角在1.69°和5.71°之间时，设计出一种正弦规律变化的尾鳍移动角和攻角之间的变化规律，使攻角在0-15°之间平滑过渡，结合步骤3.2的结论，攻角α和尾鳍移动角ξ的关系为：

其中ξ₁＝1.69°，ξ₂＝5.71°，α_max＝15°；通过控制腰关节和尾关节的关节角，使攻角α满足上面的关系式；

步骤3.4机器海豚腰关节的变化规律根据鱼类摆动身体的情况设定为正弦变化规律，可求得腰关节关节角θ₂，接下来求出尾关节的关节角；

步骤3.5设V_c为尾关节在世界坐标系下的速度，它由所述机器海豚的前进速度V_d与腰关节的拍动所产生的速度V′_c合成而成，这三个向量可以构成三角形ABC，其中，AB对应V′_c，BC对应V_d，AC对应V_c，BC边的高为AD，β₂为尾柄与海豚前进方向的夹角，尾柄向上时为正，表示角速度，用以确定此时尾柄移动的方向；β₃为尾鳍与海豚前进方向的夹角，尾鳍向上时为正，根据矢量的变化关系，求出当前的尾鳍移动角ξ，并根据步骤3.2、3.3的方法求出当前机器海豚为达到最大速度需要的攻角α：

$\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{AD}\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos \left|{\mathrm{\β}}_2\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos {\mathrm{\β}}_2\\ \left|\mathrm{CD}\right|=V_d+\mathrm{sign}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_2\right)\·\left|V_c^{\′}\right|\sin {\mathrm{\β}}_2\\ \mathrm{\ξ}=\arctan \frac{\left|\mathrm{AD}\right|}{\left|\mathrm{CD}\right|}\end{array}\right.$

其中，sign为符号函数，满足：

步骤3.6根据攻角、尾鳍移动角、腰关节的关节角以及海豚各部分与前进方向的夹角之间的关系，求出尾关节的关节角θ₃：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_3=\mathrm{sign}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_2\right)\·(\mathrm{\ξ}-\mathrm{\α})\\ {\mathrm{\θ}}_3={\mathrm{\β}}_3-{\mathrm{\β}}_2\end{array}\right.$

步骤3.7通过程序设定使步骤3.4中规定的腰关节的关节角θ₂和步骤3.6中求得的尾关节的关节角θ₃的数据分别送给所述机器海豚的电机驱动器，则此时所述机器海豚通过腰关节和尾关节的波动前进时的尾鳍的攻角α会满足步骤3.3中的设定模式，使游速最大化。

作为本发明的另一个方面，本发明还提出了一种机器海豚的运动控制方法，包括以下步骤：

根据如上任意一项所述的机器海豚的运动控制方法将所述机器海豚加速到每秒一倍体长以上的速度；

使所述机器海豚上浮到水面；

通过控制所述机器海豚的胸鳍，使所述机器海豚的出水角为60°，从而使所述机器海豚跃出水面；以及

所述机器海豚依靠惯性在空中飞行一段距离后俯冲下落，完成整个跃水过程。

其中，在所述机器海豚跃出水面的瞬间通过所述机器海豚尾鳍的拍动使其继续加速0.1秒的时间。

其中，所述机器海豚在空中滑翔时能够通过弯曲腹部来加快俯冲过程，或者通过伸展躯干来延长滞空时间。

其中，将所述机器海豚重新入水时的基准俯仰角设置为-45°。

其中，所述将所述机器海豚加速到每秒一倍体长以上的速度的步骤中将所述机器海豚的游速控制在2.9倍体长/秒。

其中，所述机器海豚实际的俯仰角和角速度由陀螺仪测量，腰关节的关节角和角速度由电机驱动器反馈。

作为本发明的再一个方面，本发明还提出了一种机器海豚的运动控制装置，包括：

陀螺仪，测量所述机器海豚实际的俯仰角和角速度；

电机驱动器，驱动所述机器海豚的尾鳍拍水，同时反馈所述机器海豚尾鳍的关节角和角速度；

处理器，根据存储的攻角控制算法计算所述机器海豚的攻角，并根据如上任意一项所述的机器海豚的运动控制方法来控制所述机器海豚尾鳍的拍水角度和动作。

基于上述技术方案可知，本发明的方法可以使机器海豚达到每秒数倍体长的高速度，比现有的机器鱼/机器海豚速度大幅度提升，从而具备了跃出水面的必要条件，并且首次完成了仿生机构推进下的机器鱼/机器海豚跃出水面的动作，而这在国内外已有的报告和文献中还没有采用仿生机构推进的机器鱼或机器海豚成功跃出水面的案例。

附图说明

图1是本发明的机器海豚的尾鳍一个拍动周期中滑过轨迹的示意图；

图2是本发明的机器海豚的连杆简化示意图；

图3是本发明的机器海豚尾鳍受力示意图；

图4是本发明的机器海豚尾柄上拍前半段的攻角计算示意图；

图5是本发明的机器海豚尾柄下拍后半段的攻角计算示意图；

图6是本发明的机器海豚快速游动的闭环控制框图；

图7是本发明的机器海豚跃水实验的实验视频截图；

图8是本发明的机器海豚跃出水面各个阶段的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种快速游动的机器海豚跃出水而的运动控制方法，包括：机器海豚的加速阶段、上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共5个阶段完成其跃出水面的整个过程。

因为高游速是机器海豚跃出水面的必要条件和前提，所以加速阶段是非常重要的阶段，该阶段的设计思想为：采用攻角算法，实时调整攻角α，将尾鳍的攻角控制在最佳的角度，最大化推进力，从而使机器海豚达到最高游速。攻角算法的具体步骤为：第一步：根据尾鳍获得的升力和阻力的关系，推导出尾鳍移动角和攻角的数学关系，使海豚获得净推进力。第二步：机器海豚尾部拍水过程中，对尾柄上拍前半段、后半段、下拍前半段、后半段四个阶段进行力学分析，根据当前所需的最佳攻角推导出合适的尾关节的关节角与俯仰角(速度)、腰关节的关节角(速度)及游速之间的数学关系式，使机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前，从而提升推进效果，使海豚加速到最高速度。

完成第一个加速阶段后，机器海豚依次经历上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共4个过程完成整个跃出水面的过程，通过调整每个过程中机器海豚的姿态、速度、方向等参数使机器海豚达到最大的跃出水面的高度。

下面详述整个控制方法各个步骤控制条件的推导过程，所述控制方法具体包括以下步骤：

步骤1：在加速阶段使机器海豚获得高游速。为了使机器海豚成功跃出水面，首先在跃出水面之前必须使机器海豚达到较高的游速。本发明采用攻角算法使机器海豚加速到最高速度，攻角算法的具体步骤为：

步骤1.1：根据尾鳍获得的升力和阻力的关系，推导出尾鳍移动角和攻角的数学变化关系，从而使攻角控制在最佳的角度，最大化推进力，保证机器海豚达到最高游速。在攻角变化规律与尾鳍移动角关系的计算中，首先计算出尾鳍的推进力和阻力，通过比较和计算得出海豚获得净推进力的条件，并根据为了使游速最大化，攻角应尽量保持升力系数最大时的15度这一前提，规划出0到15度平滑过渡的攻角变化规律。

机器海豚运动中的力学分析参考实际海豚的尾鳍变化规律，如图1所示。图1是本发明的机器海豚的尾鳍一个拍动周期中滑过轨迹的示意图，图中尾鳍整体沿着一条类正弦曲线移动，同时绕着尾鳍前缘周期性地俯仰转动。左下图表示尾鳍前进方向与攻角的关系。其中，实黑线表示尾鳍，α为攻角，α^*为尾鳍的俯仰角。右下图表示尾鳍产生的力。其中，D是阻力，F是升力，H为推进力，即升力在海豚前进方向上的分力。在此基础上对机器海豚的各个部位进行力学分析，机器海豚的运动分析的简化图如图2所示，为了简化计算，本发明的机器海豚涉及到腰关节和尾关节共2个关节J_i，i＝1，2。

为了使游速极大化，攻角应该尽量保持为升力系数最大时的15°。但由于海豚尾鳍往复拍动，因此在拍动的上下两个端点处，尾鳍的移动方向与海豚的前进方向的夹角为零，此时尾鳍不但不能产生推进力，反而会产生阻力。这是因为升力的方向是始终垂直于尾鳍的移动方向的。从而在端点处，尾鳍的升力与海豚的前进方向垂直。所以，至少在拍动的端点处尾鳍的攻角应该为零。图3为机器海豚尾鳍部分受力分析图，则步骤1.1中攻角变化规律的计算包括以下步骤：

步骤1.1.1，计算海豚在前进方向上的推力H和阻力D′：

H＝F sinξ

D′＝D cosξ

其中F为升力，D为阻力，尾鳍移动方向与海豚的前进方向的夹角为ξ，称为尾鳍移动角。

步骤1.1.2，计算出尾翼的升力和阻力：

$F=C_L\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}_c^2{A}_c$

$D=C_D\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}_c^2{A}_c$

其中，A_c为尾鳍的面积，ρ为水的密度，C_L、C_D分别为升力系数和阻力系数。

步骤1.1.3当且仅当H＞D′时，海豚产生净推力，将其代入步骤1.1.1、1.1.2的公式，得出当且仅当时，海豚产生净推力，根据参考文献，机器海豚NACA0018的最大升阻比为33.894。此时当时，即ξ＞1.69°时，尾鳍才产生净推力，因此当尾鳍移动角ξ＜ξ₁＝1.69°，尾鳍的攻角应该为零。然而根据计算，最大升阻比只出现在攻角α＝5.5°的情况下。这与最大化推进力所需要的15°攻角不一致。而当攻角α＝α_max＝15°时，升阻比约为10。此时，可求得ξ＞5.71°。也就是说，当尾鳍的移动方向与海豚的前进方向夹角小于ξ₂＝5.71°时，不可以使用15°的最大攻角。综上所述，尾鳍移动角ξ＜ξ₁＝1.69°时，攻角为0，ξ＞ξ₂＝5.71°时，攻角为15度，下面需要设计尾鳍移动角ξ满足ξ₁＜ξ＜ξ₂时，攻角的变化规律。

步骤1.1.4，为了使攻角在0与15之间平滑过渡，设计了如下以正弦规律变化的攻角变化规律，这样攻角的变化变得非常平滑：

其中ξ₁＝1.69°，ξ₂＝5.71°。

步骤1.2：机器海豚尾部拍水过程中，对尾柄上拍前半段、后半段、下拍前半段、后半段四个阶段进行力学分析，根据当前所需的最佳攻角推导出合适的尾关节的关节角与利用俯仰角(速度)、腰关节的关节角(速度)及游速之间的数学关系式，使机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前，从而提升推进效果，使海豚达到最高速度。

步骤1.2.1首先计算出腰关节的关节角。颈关节的关节角θ₁始终为0，而腰关节的关节角θ₁以正弦规律变化，即：

${\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_{2\max }\·\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{T}\right)$

θ_2max为腰关节振幅，即腰关节最大摆动角，T为拍动周期。

步骤1.2.2如图4(a)、(b)所示，设V_c为尾关节在世界坐标系下的速度，它是由海豚的前进速度V_d与腰关节的拍动所产生的速度V′_c合成而成的，这三个向量可以构成三角形ABC，其中，AB对应V′_c，BC对应V_d，AC对应V_c，BC边的高为AD，根据其矢量变化关系可以求出尾鳍移动角ξ如下式所示，并根据步骤1.1.4的方法确定此时机器海豚为达到最大游速所需的最佳攻角α。

$\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{AD}\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos \left|{\mathrm{\β}}_2\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos {\mathrm{\β}}_2\\ \left|\mathrm{CD}\right|=\left|\mathrm{BC}\right|-\left|\mathrm{BD}\right|=V_d-\left|V_c^{\′}\right|\sin {\mathrm{\β}}_2=V_d+\left|V_c^{\′}\right|\sin {\mathrm{\β}}_2\\ \mathrm{\ξ}=\arctan \frac{\left|\mathrm{AD}\right|}{\left|\mathrm{CD}\right|}\end{array}\right.$

其中，β₂为尾柄与海豚前进方向的夹角，尾柄向上时为正，如图2所示，它可以通过机器海豚的俯仰角θ₁和腰关节的关节角θ₂相加得到，即：β₂＝θ₁+θ₂，俯仰角可通过陀螺仪获得。

步骤1.2.3记β₃为尾鳍与海豚前进方向的夹角，尾鳍向上时为正。由于尾鳍移动角ξ＝α+|β₃|，且β₃＜0，求出尾关节的关节角θ₃。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_3=\mathrm{\α}-\mathrm{\ξ}\\ {\mathrm{\θ}}_3={\mathrm{\β}}_3-{\mathrm{\β}}_2\end{array}\right.$

步骤1.2.4，当尾柄下拍后半段时，如图5所示，通过与步骤1.2.2，1.2.3类似的过程，可以计算出尾关节关节角θ₃；

$\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{AD}\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos \left|{\mathrm{\β}}_2\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos {\mathrm{\β}}_2\\ \left|\mathrm{CD}\right|=\left|\mathrm{BC}\right|+\left|\mathrm{BD}\right|=V_d+\left|V_c^{\′}\right|\sin {\mathrm{\β}}_2=V_d-\left|V_c^{\′}\right|\sin {\mathrm{\β}}_2\\ \mathrm{\ξ}=\arctan \frac{\left|\mathrm{AD}\right|}{\left|\mathrm{CD}\right|}\\ {\mathrm{\β}}_3=\mathrm{\α}-\mathrm{\ξ}\\ \mathrm{\θ}3={\mathrm{\β}}_3-{\mathrm{\β}}_2\end{array}\right.$

步骤1.2.5，同理，可分别计算尾柄上拍的后半段及下拍的前半段。最终可以发现，只有|CD|的计算的符号、以及β₃的符号有差别，而这个符号只与尾柄拍动的方向有关。因此，最终可通过以下方式计算出尾关节关节角θ₃。

$\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{AD}\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos \left|{\mathrm{\β}}_2\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos {\mathrm{\β}}_2\\ \left|\mathrm{CD}\right|=V_d+\mathrm{sign}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_2\right)\·\left|V_c^{\′}\right|\sin {\mathrm{\β}}_2\\ \mathrm{\ξ}=\arctan \frac{\left|\mathrm{AD}\right|}{\left|\mathrm{CD}\right|}\\ {\mathrm{\β}}_3=\mathrm{sign}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_2\right)\·(\mathrm{\ξ}-\mathrm{\α})\\ {\mathrm{\θ}}_3={\mathrm{\β}}_3-{\mathrm{\β}}_2\end{array}\right.$

其中，β₂为尾柄与海豚前进方向的夹角，尾柄向上时为正，表示角速度，用以确定此时尾柄移动的方向。记β₃为尾鳍与海豚前进方向的夹角，尾鳍向上时为正，sign为符号函数，满足：

步骤1.2.6，整个攻角算法的控制过程示意图如图6所示，攻角控制算法只有通过实时的俯仰角(速度)、关节角(速度)及游速的反馈，根据当前所需的攻角，才能计算出尾关节的关节角。其中，海豚的俯仰角及角速度由陀螺仪给出，腰关节的关节角及角速度由电机驱动器反馈。游速采用人工干预的方式，利用上述攻角控制算法可以满足攻角在一个理想的范围内波动，使机器海豚获得最大游速。程序设定使规定的腰关节的关节角和求得的尾关节的关节角的数据分别送给电机驱动器，则此时海豚通过腰关节和尾关节的波动前进时的尾鳍的攻角为最佳角度，使游速最大化。

步骤2，完成第一个阶段加速阶段，并达到较高速度后，如图8所示，机器海豚接下来依次经历上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共4个过程完成跃水过程的各个过程。具体步骤为：

步骤2.1上浮阶段的目的是使机器海豚有合适的出水角。通过胸鳍的旋转，迅速推进机器海豚至水的表面。

步骤2.2出水阶段意味着机器海豚跃出水面直至垂直方向的速度为0。为了确保喙部比其他地方先接触水面，机器海豚从水面射出时应该产生一个俯冲的角动量使其在空中飞行过程中有一个大的出水角(通常为60°)和一个一般的入水角度(通常-45°)。由于在飞行阶段过程中不会产生角动量，所有的低头力矩必须在出水阶段产生。机器海豚加速使喙部触碰到了水面直到机器海豚的质心离开水，在喙部安有压力传感器用于检测。考虑到没有压力传感器固定在尾柄，机器海豚将继续加速0.1秒的时间，这是一个基于经验的延迟，使尾柄出水。太长的延迟会减少机器海豚下降的力矩，因为机器海豚早已跃出水面。同时，过短的延迟会造成大的力矩，使机器海豚俯仰角小于60°。基于在这个力矩下测量的俯仰角，有两个策略：(1)如果关节角θ＞35°，机器海豚会等待直到它的尾翼到达最高位置，然后迅速弯曲，产生一个较大的低头力矩；(2)如果关节角θ≤35°，这意味着低头力矩是不够的，机器海豚需弯曲腹侧以增强力矩。同时，颈关节拉低喙部，此时机器海豚完全弯成C形，最大限度地减少惯性力矩，从而加快俯冲过程。

步骤2.3飞行阶段指机器海豚在空中飞行，因为尾柄和尾翼在空气中，没有进一步的可用推力和力矩。因此，机器海豚质心的轨迹是抛物线，机器海豚只能在出水阶段结束时获得的低头力矩控制下依靠惯性继续俯冲下落。然而，机器海豚俯仰角小于零后可以伸展它的躯干，以提高减慢俯冲运动的惯性力矩。这一调整推迟机器海豚的喙部接触到水面的时刻，使其在空气中的时间可以延长。伸展身体也使得机器海豚做好推进的准备。

步骤2.4入水阶段的目的是保持从机器海豚喙部到整个身体完全落入水中能平稳下降而产生一个合适的入水角度。在这个阶段中，入水的角度β通过压力传感器提供深度信息并用胸鳍控制，基准俯仰角通常设置为-45°。如果深度符合证明整个机器海豚已经潜入到水中。到此，一个完整的跳跃过程终止。机器海豚可以加快并下潜以准备另一次跃水或者其他任务。

通过上述推导可知，本发明的基于快速游动的机器海豚跃水控制方法，该方法有加速阶段、上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共5个阶段，包括以下步骤：

步骤1：在加速阶段使机器海豚获得高游速。为了使机器海豚成功跃出水面，首先在跃出水面之前必须使机器海豚达到较高的游速。采用攻角算法使机器海豚加速到最高速度，加速阶段的具体步骤为：

步骤1.1：根据尾鳍获得的升力和阻力的关系，推导出尾鳍移动角和攻角的数学变化关系，从而使攻角控制在最佳的角度，最大化推进力，保证机器海豚达到最高游速。

步骤1.2：机器海豚尾部拍水过程中，对尾柄上拍前半段、后半段、下拍前半段、后半段四个阶段进行力学分析，根据当前所需的最佳攻角推导出合适的尾关节的关节角与利用俯仰角(速度)、腰关节的关节角(速度)及游速之间的数学关系式，使机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前，从而提升推进效果，使海豚达到最高速度。

步骤2，完成了第一个阶段加速阶段，并达到较高速度后，机器海豚依次经历上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共4个过程阶段完成整个跃水过程，通过调整每个阶段中机器海豚的姿态、速度、方向等参数使机器海豚达到最大的跃出水面的高度。

下面通过一个在游泳池中进行的具体实施例来对本发明的基于快速游动的机器海豚跃水控制方法进行验证说明。

如图7所示，在每秒钟一倍体长以上的速度下，进行了跃水的尝试。首先，使海豚游出，达到较高速度后，上转两侧的胸鳍，使海豚上浮。接着，海豚开始露出水面，并逐渐完全脱离水面。所有动能都转化为重力势能后，海豚达到最高跃水高度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器海豚的运动控制方法，所述运动控制方法采用攻角算法来控制所述机器海豚尾鳍的拍打动作，从而使所述机器海豚加速游动，其中

根据所述机器海豚尾鳍获得的升力和阻力的关系，在所述机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度，从而最大化推进力；以及

在所述机器海豚尾鳍拍水过程中，根据推导出的所述机器海豚合适的尾关节的关节角与俯仰角、腰关节的关节角与游速之间的数学关系式，使所述机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前。

2.根据权利要求1所述的机器海豚的运动控制方法，其中所述机器海豚的运动关节至少包括腰关节和尾关节。

3.根据权利要求1所述的机器海豚的运动控制方法，其中所述在机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度的步骤包括：

步骤3.1为了使游速极大化，攻角应该尽量保持为升力系数最大时的15°；

步骤3.2当尾鳍移动角小于1.69°时，所述机器海豚的攻角为0°，当尾鳍移动角大于5.71°时，攻角设置为15°；

步骤3.3尾鳍移动角在1.69°和5.71°之间时，设计出一种正弦规律变化的尾鳍移动角和攻角之间的变化规律，使攻角在0-15°之间平滑过渡，结合步骤3.2的结论，攻角α和尾鳍移动角ξ的关系为：

其中ξ₁＝1.69°，ξ₂＝5.71°，α_max＝15°；通过控制腰关节和尾关节的关节角，使攻角α满足上面的关系式；

步骤3.4机器海豚腰关节的变化规律根据鱼类摆动身体的情况设定为正弦变化规律，可求得腰关节关节角θ₂，接下来求出尾关节的关节角；

步骤3.5设V_c为尾关节在世界坐标系下的速度，它由所述机器海豚的前进速度V_d与腰关节的拍动所产生的速度V′_c合成而成，这三个向量可以构成三角形ABC，其中，AB对应V′_c，BC对应V_d，AC对应V_c，BC边的高为AD，β₂为尾柄与海豚前进方向的夹角，尾柄向上时为正，表示角速度，用以确定此时尾柄移动的方向；β₃为尾鳍与海豚前进方向的夹角，尾鳍向上时为正，根据矢量的变化关系，求出当前的尾鳍移动角ξ，并根据步骤3.2、3.3的方法求出当前机器海豚为达到最大速度需要的攻角α：

$\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{AD}\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos \left|{\mathrm{\β}}_2\right|=\left|V_c^{\′}\right|\cos {\mathrm{\β}}_2\\ \left|\mathrm{CD}\right|=V_d+\mathrm{sign}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_2\right)\\ \mathrm{\ξ}=\arctan \frac{\left|\mathrm{AD}\right|}{\left|\mathrm{CD}\right|}\end{array}\·\left|V_c^{\′}\right|\sin {\mathrm{\β}}_2\right.$

其中，sign为符号函数，满足：

步骤3.6根据攻角、尾鳍移动角、腰关节的关节角以及海豚各部分与前进方向的夹角之间的关系，求出尾关节的关节角θ₃：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_3=\mathrm{sign}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}_2\right)\·(\mathrm{\ξ}-\mathrm{\α})\\ {\mathrm{\θ}}_3={\mathrm{\β}}_3-{\mathrm{\β}}_2\end{array}\right.$

步骤3.7通过程序设定使步骤3.4中规定的腰关节的关节角θ₂和步骤3.6中求得的尾关节的关节角θ₃的数据分别送给所述机器海豚的电机驱动器，则此时所述机器海豚通过腰关节和尾关节的波动前进时的尾鳍的攻角α会满足步骤3.3中的设定模式，使游速最大化。

4.一种机器海豚的运动控制方法，包括以下步骤：

根据如权利要求1至3任意一项所述的机器海豚的运动控制方法将所述机器海豚加速到每秒一倍体长以上的速度；

使所述机器海豚上浮到水面；

通过控制所述机器海豚的胸鳍，使所述机器海豚的出水角为60°，从而使所述机器海豚跃出水面；以及

所述机器海豚依靠惯性在空中飞行一段距离后俯冲下落，完成整个跃水过程。

5.根据权利要求4所述的机器海豚的运动控制方法，其中在所述机器海豚跃出水面的瞬间通过所述机器海豚尾鳍的拍动使其继续加速0.1秒的时间。

6.根据权利要求4所述的机器海豚的运动控制方法，其中所述机器海豚在空中滑翔时能够通过弯曲腹部来加快俯冲过程，或者通过伸展躯干来延长滞空时间。

7.根据权利要求4所述的机器海豚的运动控制方法，其中将所述机器海豚重新入水时的基准俯仰角设置为-45°。

8.根据权利要求4所述的机器海豚的运动控制方法，其中所述将所述机器海豚加速到每秒一倍体长以上的速度的步骤中将所述机器海豚的游速控制在2.9倍体长/秒。

9.根据权利要求4所述的机器海豚的运动控制方法，其中所述机器海豚实际的俯仰角和角速度由陀螺仪测量，腰关节的关节角和角速度由电机驱动器反馈。

10.一种机器海豚的运动控制装置，包括：

陀螺仪，测量所述机器海豚实际的俯仰角和角速度；

电机驱动器，驱动所述机器海豚的尾鳍拍水，同时反馈所述机器海豚尾鳍的关节角和角速度；

处理器，根据存储的攻角控制算法计算所述机器海豚的攻角，并根据如权利要求4至9任意一项所述的机器海豚的运动控制方法来控制所述机器海豚尾鳍的拍水角度和动作。