CN112572740A - 仿生机器鱼航行状态平滑切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下控制技术领域，公开了一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法。该方法包括：利用中枢模式发生器CPG计算拍动电机的待切换转动角度；将任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离确定为与曲轴的转动半径相等；利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度；根据所计算的拍动电机的待切换转动角度控制拍动电机运动，根据所计算的扭转电机的待切换转动角度控制扭转电机运动。由此，可以保证仿生机器鱼航行状态发生改变时，拍动电机及扭转电机的运行状态实现平滑切换，从而使胸鳍在两个不同状态之间平滑过渡，解决了仿生鱼不同状态切换时的震颤现象。

Description

仿生机器鱼航行状态平滑切换方法
技术领域
本发明涉及水下控制技术领域，尤其涉及一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法。
背景技术
二自由度胸鳍推进仿生机器鱼采用仿蝠鲼的胸鳍推进方式，即胸鳍可实现上下拍动的同时也可以进行弦向扭转。胸鳍拍动运动为绕拍动轴的正弦规律的转动，由拍动电机驱动拍动轴实现胸鳍的正弦运动。胸鳍扭转运动为绕扭转轴的正弦规律的扭动，由扭转电机驱动曲轴实现胸鳍绕扭转轴的正弦运动。拍动电机直驱拍动轴实现胸鳍的正弦运动，因此拍动电机的运动规律也为正弦运动，而扭转电机驱动曲轴使胸鳍绕扭转轴实现正弦运动，扭转电机的运动规律为非正弦运动。当仿生机器鱼航行状态发生变化时，胸鳍的拍动规律及扭转规律必然发生改变，即拍动电机与扭转电机运动规律发生改变。当拍动电机及扭转电机运动参数变化时，在变化的时间点，拍动电机及扭转电机的运动幅值会发生瞬间的跳跃，使胸鳍的拍动运动与扭转运动产生瞬间抖动，从而使仿生机器鱼在水中出现震颤现象，这会对仿生机器鱼的机械结构、驱动电机造成损害，不利于仿生机器鱼的隐蔽性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法，能够解决上述现有技术中的问题。
本发明的技术解决方案：一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法，其中，仿生机器鱼包括多个胸鳍，每个胸鳍对应设置有扭转轴、曲轴、拍动轴、支撑轴、拍动电机和扭转电机，且每个胸鳍包括多个截面，该方法包括：
利用中枢模式发生器CPG计算拍动电机的待切换转动角度；
将任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离确定为与曲轴的转动半径相等；
利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度；
根据所计算的拍动电机的待切换转动角度控制拍动电机运动，根据所计算的扭转电机的待切换转动角度控制扭转电机运动。
本发明还提供了一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法，其中，仿生机器鱼包括多个胸鳍，每个胸鳍对应设置有扭转轴、曲轴、拍动轴、支撑轴、拍动电机和扭转电机，且每个胸鳍包括多个截面，该方法包括：
利用中枢模式发生器CPG计算拍动电机的待切换转动角度；
根据预定比例范围确定任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离和曲轴的转动半径的比例；
将扭转电机的非正弦运动拟合为正弦运动，得到拟合后的扭转电机的正弦运动规律；
根据扭转电机的转动角度最大值与转动角度最小值确定拟合后的扭转电机的偏置；
根据扭转电机的转动角度最大值和拟合后的扭转电机的偏置确定拟合后的扭转电机的幅值；
根据拟合后的扭转电机的偏置和拟合后的扭转电机的幅值利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度；
根据所计算的拍动电机的待切换转动角度控制拍动电机运动，根据所计算的扭转电机的待切换转动角度控制扭转电机运动。
优选地，得到的拟合后的扭转电机的正弦运动规律为：
Figure BDA0002838930350000031
其中，γi是拟合后的扭转电机转动角度，Ci是拟合后的扭转电机的幅值，
Figure BDA0002838930350000034
是拟合后的扭转电机的偏置，f′是拟合后的扭转电机的运动频率，τi是拟合后的扭转电机的相位，下角标i表示胸鳍的序号，i＝1、2、3、4。
优选地，通过下式根据扭转电机的转动角度最大值与转动角度最小值确定拟合后的扭转电机的偏置：
Figure BDA0002838930350000032
其中，αi_MAX扭转电机的转动角度最大值，αi_MIN为扭转电机的转动角度最小值。
优选地，通过下式根据扭转电机的转动角度最大值和拟合后的扭转电机的偏置确定拟合后的扭转电机的幅值：
Figure BDA0002838930350000033
优选地，预定比例范围为[0.8,1.0)。
通过上述技术方案，可以保证仿生机器鱼航行状态发生改变时，拍动电机及扭转电机的运行状态实现平滑切换，从而使胸鳍在两个不同状态之间平滑过渡，解决了仿生鱼不同状态切换时的震颤现象。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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为本发明实施例提供的一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法的流程图；
图2为本发明实施例中二自由度胸鳍推进装置示意图；
图3为本发明实施例中胸鳍截面扭转角与扭转电机转角几何关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
图1为本发明实施例提供的一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法的流程图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法，其中，仿生机器鱼包括多个胸鳍，每个胸鳍对应设置有扭转轴、曲轴、拍动轴、支撑轴、拍动电机和扭转电机，且每个胸鳍包括多个截面(如图2所示，每个胸鳍可以包括五个截面，支撑轴的数量可以为两个)，该方法包括：
S100，利用中枢模式发生器CPG计算拍动电机的待切换转动角度；
S102，将任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离确定为与曲轴的转动半径相等(即，h＝rk，参见图3)；
S104，利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度；
S106，根据所计算的拍动电机的待切换转动角度控制拍动电机运动，根据所计算的扭转电机的待切换转动角度控制扭转电机运动。
通过上述技术方案，可以保证仿生机器鱼航行状态发生改变时，拍动电机及扭转电机的运行状态实现平滑切换，从而使胸鳍在两个不同状态之间平滑过渡，解决了仿生鱼不同状态切换时的震颤现象。
本发明实施例还提供了一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法，其中，仿生机器鱼包括多个胸鳍，每个胸鳍对应设置有扭转轴、曲轴、拍动轴、支撑轴、拍动电机和扭转电机，且每个胸鳍包括多个截面(如图2所示，每个胸鳍可以包括五个截面，支撑轴的数量可以为两个)，该方法包括：
利用中枢模式发生器CPG计算拍动电机的待切换转动角度；
根据预定比例范围确定任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离和曲轴的转动半径的比例(h/tk)；
将扭转电机的非正弦运动拟合为正弦运动，得到拟合后的扭转电机的正弦运动规律；
根据扭转电机的转动角度最大值与转动角度最小值确定拟合后的扭转电机的偏置；
根据扭转电机的转动角度最大值和拟合后的扭转电机的偏置确定拟合后的扭转电机的幅值；
根据拟合后的扭转电机的偏置和拟合后的扭转电机的幅值利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度；
根据所计算的拍动电机的待切换转动角度控制拍动电机运动，根据所计算的扭转电机的待切换转动角度控制扭转电机运动。
通过上述技术方案，可以保证仿生机器鱼航行状态发生改变时，拍动电机及扭转电机的运行状态实现平滑切换，从而使胸鳍在两个不同状态之间平滑过渡，解决了仿生鱼不同状态切换时的震颤现象。
其中，拍动电机通过拍动轴带动支撑轴驱动胸鳍绕拍动轴作正弦运动，胸鳍拍动正弦运动规律如下式所示：
θi(t)＝(Ai-|Δi|)sin(2πft+δi)+Δi (1)
上式中Ai为胸鳍拍动的幅值，f为胸鳍拍动的频率，δi为胸鳍拍动的初始相位，Δi为胸鳍拍动的偏置，其中i代表具体的胸鳍(仿生机器鱼有四个胸鳍)，i＝1、2、3、4。由于拍动电机通过拍动轴直驱胸鳍，所以拍动电机的运动规律与胸鳍的拍动规律一致，拍动电机也是按照上式运动。
扭转电机通过曲轴驱动胸鳍绕扭转轴作正弦运动，胸鳍截面扭转正弦规律如下式所示：
Figure BDA0002838930350000061
上式中Bi，k为胸鳍扭转的幅值，f为胸鳍扭转的频率，σi，k为胸鳍扭转的相位，
Figure BDA0002838930350000062
为胸鳍扭转的偏置，其中i代表胸鳍序号，i＝1、2、3、4，k代表胸鳍内的截面序号，k＝1、2、3、4、5。胸鳍扭转时，五个截面的扭转角各不相同，胸鳍截面扭转规律与扭转电机扭转规律如图3所示，图中h为曲轴与扭转轴之间的距离(即，图中三角形的底边，不包含向左的延长线)，rk为曲轴转动半径，其与具体的截面的有关，
Figure BDA0002838930350000063
为胸鳍截面转动角度，α为扭转电机转动角度。根据图3，胸鳍截面扭转规律与扭转电机扭转规律如下式所示：
Figure BDA0002838930350000064
根据上式(3)可得扭转电机运动规律为：
Figure BDA0002838930350000065
由前述内容可知，当仿生机器鱼航行状态需要改变时，可以通过改变拍动电机及扭转电机的运行状态即可完成航行状态的改变。拍动电机及扭转电机的运动参数包括运动幅值、频率、初始相位及偏置这四个运动参数，其中拍动电机与扭转电机的运动频率相同，都为f。在运动参数发生改变时，可以利用CPG对各个电机待切换转动角度进行计算，以避免拍动电机及扭转电机的运动角度在参数变更时刻发生跳变，而破坏水下仿生机器鱼的稳定性。CPG的公式如下所示：
Figure BDA0002838930350000071
其中，
Figure BDA0002838930350000072
ri、xi分别为第i个电机的相位、幅值以及偏置的状态变量。fi、Ri、Xi为电机的期望频率、期望幅值及期望偏置，即电机最终输出的稳态值。相位差Ψi，j为两个电机稳定输出时相位差的收敛值，即
Figure BDA0002838930350000073
wi，j为两个电机之间的耦合权重，耦合权重越大，相位差收敛越快。ai和bi为幅值和偏置收敛系数，表征ri、xi收敛于Ri，Xi的速度，ai、bi的值越大，收敛速度越快。θi为电机运动角度。
对于上述式(5)-(8)：
在利用CPG计算拍动电机的待切换转动角度时，根据拍动电机相关运动参数进行计算。
在利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度的情况下，先通过S102使h＝rk，之后利用扭转电机相关运动参数进行计算。举例来讲，第4个截面曲轴与扭转轴之间的距离等于曲轴的转动半径，此时扭转电机运动规律为：
Figure BDA0002838930350000081
即：
Figure BDA0002838930350000082
由此，当确定某截面h＝rk后，曲轴的设计方式也随之确定，在设计二自由度仿胸鳍推进仿生机器鱼时通过确定胸鳍某截面h＝rk设计曲轴，再利用CPG算法可以实现拍动电机与扭转电机运动切换时的平滑过渡。
可替换地，在利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度的情况下，先根据预定比例范围确定任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离和曲轴的转动半径的比例，由此可以利用拟合方法将扭转电机的非正弦运动拟合为正弦运动。
根据本发明一种实施例，得到的拟合后的扭转电机的正弦运动规律为：
Figure BDA0002838930350000083
其中，γi是拟合后的扭转电机转动角度，Ci是拟合后的扭转电机的幅值，
Figure BDA0002838930350000084
是拟合后的扭转电机的偏置，f′是拟合后的扭转电机的运动频率，τi是拟合后的扭转电机的相位，下角标i表示胸鳍的序号，i＝1、2、3、4。
扭转电机通过曲轴驱动胸鳍绕扭转轴转动，胸鳍上各截面的运动频率及相位与曲轴相同，所以拟合后的扭转电机频率及相位与胸鳍运动规律中的频率及相位相等，即f′＝f，τi＝σi，k。所以拟合公式(11)中只剩两个未知变量，即幅值Ci与偏置
Figure BDA0002838930350000085
胸鳍截面扭转正弦规律公式(2)的最大值为
Figure BDA0002838930350000086
最小值为
Figure BDA0002838930350000091
扭转电机运动规律公式(4)中包含两个部分，即反正弦三角函数
Figure BDA0002838930350000092
与胸鳍运动规律的正弦函数
Figure BDA0002838930350000093
反正弦函数
Figure BDA0002838930350000094
为单调递增函数，所以
Figure BDA0002838930350000095
最大值取值点为
Figure BDA0002838930350000096
最大值取值点，即
Figure BDA0002838930350000097
最大值如下式所示：
Figure BDA0002838930350000098
Figure BDA0002838930350000099
最小值如下式所示：
Figure BDA00028389303500000910
由此，扭转电机转动角度最大值如下式所示：
Figure BDA00028389303500000911
扭转电机转动角度最小值如下式所示：
Figure BDA00028389303500000912
根据本发明一种实施例，通过下式根据扭转电机的转动角度最大值与转动角度最小值确定拟合后的扭转电机的偏置：
Figure BDA00028389303500000913
其中，αi_MAX扭转电机的转动角度最大值，αi_MIN为扭转电机的转动角度最小值。
根据本发明一种实施例，通过下式根据扭转电机的转动角度最大值和拟合后的扭转电机的偏置确定拟合后的扭转电机的幅值：
Figure BDA0002838930350000101
根据本发明一种实施例，预定比例范围为[0.8,1.0)。
综上，可以使用拍动电机正弦运动规律和拟合后扭转电机正弦运动规律，结合CPG算法，即可实现仿生机器鱼航行状态的平滑切换。
从上述实施例可以看出，通过本发明上述方法，可避免因拍动电机及扭转电机运动参数变换时导致拍动电机及扭转电机转角出现瞬间跳变，从而避免仿生机器鱼胸鳍出现震颤，确保了仿生机器鱼的隐蔽性，可以进一步提高仿生机器鱼航行的稳定性。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
本发明以上的方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法，其特征在于，仿生机器鱼包括多个胸鳍，每个胸鳍对应设置有扭转轴、曲轴、拍动轴、支撑轴、拍动电机和扭转电机，且每个胸鳍包括多个截面，该方法包括：
利用中枢模式发生器CPG计算拍动电机的待切换转动角度；
将任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离确定为与曲轴的转动半径相等；
利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度；
根据所计算的拍动电机的待切换转动角度控制拍动电机运动，根据所计算的扭转电机的待切换转动角度控制扭转电机运动。
2.一种仿生机器鱼航行状态平滑切换方法，其特征在于，仿生机器鱼包括多个胸鳍，每个胸鳍对应设置有扭转轴、曲轴、拍动轴、支撑轴、拍动电机和扭转电机，且每个胸鳍包括多个截面，该方法包括：
利用中枢模式发生器CPG计算拍动电机的待切换转动角度；
根据预定比例范围确定任意一个截面曲轴与扭转轴之间的距离和曲轴的转动半径的比例；
将扭转电机的非正弦运动拟合为正弦运动，得到拟合后的扭转电机的正弦运动规律；
根据扭转电机的转动角度最大值与转动角度最小值确定拟合后的扭转电机的偏置；
根据扭转电机的转动角度最大值和拟合后的扭转电机的偏置确定拟合后的扭转电机的幅值；
根据拟合后的扭转电机的偏置和拟合后的扭转电机的幅值利用CPG计算扭转电机的待切换转动角度；
根据所计算的拍动电机的待切换转动角度控制拍动电机运动，根据所计算的扭转电机的待切换转动角度控制扭转电机运动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，得到的拟合后的扭转电机的正弦运动规律为：
Figure FDA0002838930340000021
其中，γi是拟合后的扭转电机转动角度，Ci是拟合后的扭转电机的幅值，
Figure FDA0002838930340000025
是拟合后的扭转电机的偏置，f′是拟合后的扭转电机的运动频率，τi是拟合后的扭转电机的相位，下角标i表示胸鳍的序号，i＝1、2、3、4。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过下式根据扭转电机的转动角度最大值与转动角度最小值确定拟合后的扭转电机的偏置：
Figure FDA0002838930340000022
其中，
Figure FDA0002838930340000023
扭转电机的转动角度最大值，
Figure FDA0002838930340000024
为扭转电机的转动角度最小值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过下式根据扭转电机的转动角度最大值和拟合后的扭转电机的偏置确定拟合后的扭转电机的幅值：
Figure FDA0002838930340000031
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其特征在于，预定比例范围为[0.8,1.0)。
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