CN113433865B - 一种ipmc驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统，根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号，规划控制系统整体性能指标；基于控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；按照控制系统设计需求和所要实现的功能进行组合，设计硬件系统的各模块电路结构；在硬件系统的基础上，进行相应的软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差等参数，完成整个控制系统的设计。本发明能够产生驱动多通道IPMC双向摆动时所需的、具有高输出电流的双极性正弦波和方波,且其频率、幅值和相位差可调,同时还具有多通道分时控制功能，能满足控制IPMC驱动的仿生波动鳍的运动需求。

Description

一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统

技术领域

本发明属于水下仿生机器人技术领域，具体涉及一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统。

背景技术

鱼类经过亿万年的进化，演化出非凡的运动本领，至今，人造航行器难以达到鱼类的游动效率。从鱼类推进方式得到启示，水下仿生推进机器人逐渐受到研究者关注，研究者试图通过模拟鱼类运动机制以提高水下航行器综合性能。然而传统仿鱼类机器人多采用刚性电机串联的驱动方式，使得在模拟鱼类运动方面只能做到“形似”，其推进效率远远低于真实鱼类。

近年来随着形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)、离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Mental Composite,IPMC)、压电陶瓷(Principle of lead ZirconateTitanate,PZT)等智能材料的不断发展，为研究仿生机器鱼驱动机构提供了新的思路。其中，IPMC材料凭借集传感、驱动、能量收集等功能于一身的优势，有望成为新一代水下驱动器制作材料。IPMC是一种离子型电致功能聚合物(Electroactive Polymer,EAP)材料，其主体是聚合物薄膜，薄膜两侧镀有薄的贵金属电极。在外加电压作用下，IPMC向阳极方向发生弯曲变形。以IPMC作为仿生机器鱼驱动器，与传统的电机驱动相比，具有能耗低、续航时间长、连续柔性好、运动无噪声、环境友好等优点。

目前，国内外的研究人员针对IPMC驱动仿生机器鱼已经做了一定的研究与探索。但其中以模仿BCF模式中尾鳍摆动驱动、身体波动驱动和MPF模式中的胸鳍摆动驱动的鱼类居多，而少有模仿MPF模式中依靠波动鳍推进的鱼类。而MPF推进模式仿生机器鱼在低速游动下的推进效率、机动性和稳定性更为出色，更加适应水下勘测和侦察作业，其中胸鳍波动推进仿生机器鱼更是具有优异的游动性能，已成为仿生机器鱼研究领域的新兴热点。

基于IPMC驱动的仿生波动鳍要实现在水中的主动运动控制，除了需要合理的外形结构尺寸之外，还要有相应的控制系统相配合，且同时满足驱动材料IPMC的要求。而当前研究中提出的IPMC驱动材料控制系统，存在着控制通道少、输出电流小、波形输出单一等局限性，无法满足IPMC驱动和控制仿生波动鳍运动所需的、具有高输出电流的双极性正弦波和方波,且其频率、幅值和相位差可调的控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统，控制系统可独立控制IPMC驱动信号的幅值、频率及相位差，满足仿生波动鳍各种运动模式的驱动信号需求。

本发明采用以下技术方案：

一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，包括以下步骤：

S1、根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标；

S2、基于步骤S1中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

S3、根据步骤S2设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构；

S4、在硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值和相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计。

具体的，步骤S1中，规划控制系统整体性能指标具体为：

控制系统输出的模拟信号为N通道，各通道之间相互独立，并且可以相互配合输出；控制系统输出的电压信号的波形、幅值、频率和相位差可调，电压为-5V～5V，频率为0.1Hz～3Hz；控制系统每个通道的输出电流最大为1.5A。

具体的，步骤S2中，硬件组成模块包括单片机控制模块，单片机控制模块依次经DAC数模转换模块、差分比例运算模块和功率放大模块后输出至IPMC；功率放大模块与电源模块连接；电源模块经DC-DC模块分三路，一路与DAC数模转换模块连接，第二路经LDO模块与单片机控制模块连接，第三路经正负双路DC-DC模块与差分比例运算模块连接。

具体的，步骤S3中，硬件系统的各模块电路包括主控电路结构、数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构；主控电路结构分别与数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构连接。

进一步的，数模转换电路结构中，数字信号与模拟电压输出之间的关系：

其中，V_o为DAC数模转换模块输出电压，REF为基准电压，CODE为数字输入值，输入范围为0×000至0×FFC。

进一步的，差分比例运算电路结构中，差分比例运算电路的输出信号OUT为：

其中，DAC为数模模块电路的输出电压，REF为基准电压，R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝10K。

进一步的，功率放大电路的输出信号U₀为：

其中，OUT为差分比例运算电路的输出信号，R₁₉＝9K，R₁₈＝1K。

进一步的，电源电路结构中，采用±12V开关电源双路供电，同时为功率放大器供电；通过稳压芯片将控制系统供电电压+12V转换为+5V电压输出为DAC数模转换模块供电，通过电阻分压为运算放大器提供1V参考电压；通过低压差线性稳压器(LDO)将+5V转换为+3.3V电压为单片机供电，通过正负双路输出DC-DC模块电源将+5V转换为±5V输出电压为运算放大器供电。

具体的，步骤S4中，控制波形输出信号具体为：

利用MATLAB将正弦波一个周期的相位-幅度关系离散化，按相同的时间间隔取点形成正弦波数据表，然后将正弦波数据表存放在单片机的程序存储空间中，按固定的时间间隔发送给DAC数模转换模块电路，输出相应的正弦波信号；通过定时器设定的中断时间控制输出信号的频率；通过正弦波数据表中的值域范围调节输出信号的幅值；通过正弦波数据表查表的起点位置调节输出信号的相位差，正弦波数据表每周期的采样点为128个，相邻通道查表起点相距64个点相位差为π，32个点相位差为π/2，16个点相位差为π/4。

本发明的另一技术方案是，一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计系统，包括：

性能模块，根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标；

规划模块，基于性能模块中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

组合模块，根据规划模块设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构；

软件模块，在组合模块设计的硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，设计实现各硬件组成模块之间的数据通信和协调控制，实现IPMC材料的驱动和仿生波动鳍在水下的多模态运动控制，IPMC的驱动信号一般为方波或正弦波，电压幅值小于5V，通常为1V-3V，频率为0.1Hz-3Hz，其所需驱动电流与材料面积及驱动电压条件有关。根据IPMC驱动信号及仿生波动鳍运动控制的需求，控制系统整体性能指标具体为：控制系统输出的模拟信号为N通道，各通道之间相互独立，并且可以相互配合输出；控制系统输出的电压信号的波形、幅值、频率和相位差可调，电压为-5V～5V，频率为0.1Hz～3Hz；控制系统每个通道的输出电流最大可达为1.5A，硬件组成模块包括单片机控制模块、DAC数模转换模块、差分比例运算模块、功率放大模块、电源模块、按键模块。使用STM32作为单片机控制模块的主控芯片，通过SPI通信控制DAC数模转换模块的多个输出通道将数字信号转换为模拟信号，再经过由差分比例运算模块将单极性信号转换为双极性信号，并将经过由功率放大模块将输出电流放大，产生可用于控制IPMC的信号。

进一步的，基于硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能，进行芯片选型，参考芯片数据手册进行外围电路结构设计，完成硬件系统的搭建。

进一步的，IPMC的驱动信号一般为方波或正弦波，均为模拟信号，为了产生波形可调的模拟输出信号，利用数模转换电路结构将单片机输出的数字信号转换模拟电压输出。

进一步的，数模转换模块输出的信号为单极性信号，无法驱动IPMC双向摆动，利用差分比例运算电路将数模转换模块输出的单极性信号转换为双极性交流信号。

进一步的，IPMC需要较大的驱动电流，通过高电压大电流功放构成的功率放大模块放大电流，产生可用于控制IPMC的信号。

进一步的，硬件系统的各模块电路包括主控电路结构、数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构；主控电路结构分别与数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构。其中的芯片都需要在合适的工作电压下才能正常工作，通过电源电路设置电压转换单元为硬件系统的各个芯片进行供电。

进一步的，在硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差，以控制IPMC摆动的摆幅、频率、相位差，进一步控制仿生波动鳍的运动模态。

综上所述，与现有技术相比，本发明提出的一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，具有如下的优点：

(1)本发明一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统控制通道多、输出电流大、波形输出多样，可满足IPMC驱动和控制仿生波动鳍运动所需的、具有高输出电流的双极性正弦波和方波；

(2)本发明一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统可产生多种可变频率、幅值和相位差的驱动电压信号，容易实现对IPMC驱动的仿生波动鳍的波长、波速等进行调节，满足仿生波动鳍在水中运动的多种运动模态需求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为多鳍条IPMC驱动电压信号示意图；

图2为硬件控制系统设计框图；

图3为主控电路结构的示意图；

图4为DAC数模转换模块电路结构的示意图；

图5为差分比例运算模块电路结构的示意图；

图6为功率放大模块电路结构的示意图；

图7为电源电路结构的示意图；

图8为正弦波数据表示意图；

图9为控制系统的程序流程图；

图10为控制系统的输出电压信号波形图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号，根据IPMC驱动电压信号规划控制系统整体性能指标；基于控制系统的性能指标进行功能模块的规划，设计硬件系统的硬件组成模块；根据硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能进行组合，设计硬件系统的各模块电路结构；在硬件系统的基础上，进行相应的软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差等参数，完成整个控制系统的设计。本发明方法能够产生驱动多通道IPMC双向摆动时所需的、具有高输出电流的双极性正弦波和方波,且其频率、幅值和相位差可调,同时还具有多通道分时控制功能，能满足控制IPMC驱动的仿生波动鳍的运动需求。

本发明一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，包括以下步骤：

S1、根据仿生波动鳍的运动方式，得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，进而规划控制系统整体性能指标；

仿生波动鳍的运动方式每一个IPMC驱动片采用独立控制方式，相互配合；在外界动力源的驱动和控制下，一系列IPMC驱动片按顺序以等相位差依次摆动，相邻IPMC驱动片在摆动过程中除了相差一个固定的相位差以外，其它的运动参数(最大摆角、摆动频率)均相同，进而控制仿生波动鳍产生一系列正弦行波，该行波在水中运动时，其包络的水被推向载体运动相反的方向，根据动量守恒原理，鳍面将受到一个的推力。通过改变IPMC驱动片的摆动相位和驱动电压等参数，可驱动机器鱼在水中产生直线巡游(包括前进、后退)等运动。

请参阅图1多鳍条IPMC驱动电压信号示意图，根据仿生波动鳍的运动方式，得到IPMC仿生波动鳍驱动电压信号为：

其中，A为驱动电压的幅值，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，m为波数，N为仿生波动鳍鳍面中IPMC驱动器的总数，n为IPMC驱动器的排列顺序，n＝1，2,...,N，IPMC驱动器之间的相位差为

φ_n为偏置电压。

控制系统整体性能指标包括：

1)控制系统需能够独立输出N通道的模拟信号，各通道之间相互独立，并且可以相互配合输出；

2)控制系统输出的电压信号的波形、幅值、频率和相位差等参数可通过软件编程更改，电压范围为-5V～5V，频率范围为0.1Hz～3Hz；

3)控制系统每个通道的输出电流最大为1.5A。

S2、基于步骤S1中控制系统的性能指标进行功能模块的规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

请参阅图2，硬件控制系统设计框图中，仿生波动鳍硬件系统的硬件组成模块，包括：STM32单片机控制模块、DAC数模转换模块、差分比例运算模块、功率放大模块、电源模块、按键模块，单片机控制模块依次连接DAC数模转换模块、差分比例运算模块和功率放大模块后输出至IPMC，开关电源分别与功率放大模块和DC-DC模块(12V转5V)连接，DC-DC模块分三路，一路与DAC数模转换模块连接，第二路经LDO模块(5V转3.3V)与单片机控制模块连接，第三路经正负双路DC-DC模块(5V转正负5V)与差分比例运算模块连接；按键模块和指示灯分别与单片机控制模块连接。

控制系统使用STM32F103RCT6作为主控芯片，定时器每隔设定的时间间隔触发中断，调用正弦波数据表，通过SPI通信控制数模转换芯片TLV5608产生共7通道的模拟信号，再经过由运算放大器LM358DR2G组成的差分比例运算电路，将单极性信号转换为双极性信号，最后经功率放大器OPA548放大电压和电流，获得最终的IPMC驱动信号。

S3、根据步骤S2中的硬件组成模块，将上述硬件组成模块按照控制系统设计需求和所要实现的功能进行组合，设计硬件系统的各模块电路结构；

硬件系统的各模块电路结构，包括：主控电路结构、数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构、电源电路结构。

请参阅图3，为主控电路结构的示意图，主控电路主要由STM32F103RCT6芯片组成，包括时钟电路、复位电路、调试电路。其中，时钟电路由主晶振、实时时钟晶振与阻抗匹配构成，复位电路由轻触开关与上拉电阻组成；调试电路主要将JTAG调试端口引出。STM32F103RCT6使用3.3V电压供电，该主控电路主要作用为硬件系统控制的核心电路，负责关联硬件系统的各模块电路结构、各个硬件组成模块间的连接，协调硬件系统的整体控制。

请参阅图4DAC数模模块电路结构的示意图，数模转换电路主要由TLV5608芯片组成，TLV5608只能作为接收器，必须由总线上的主器件控制。TLV5608使用5V电压供电，其,参考电压设为5V，图中R₉＝10K，根据TLV5608数字信号与模拟电压输出之间的关系：

其中，V_o为DAC数模转换模块输出电压，REF为基准电压5V，CODE为数字输入值，输入范围为0×000至0×FFC。

则DAC输出范围为0～5V，这里使用0.5V～1.5V的输出电压范围。Mode可通过硬件设置，1、2相连为uc Mode，2、3相连为DSP Mode。其余引脚与单片机的连接方式如图4所示。

请参阅图5，为差分比例运算模块电路结构的示意图，差分比例运算电路主要由LM358DR2G芯片组成，放大器为双极性电压供电，选用±5V供电。电路的同相比例输入端的输入信号为DAC TLV5608的输出信号，反相比例输入端的输入信号为参考电压1V。由运放的“虚短”“虚断”特性，结合DAC的输出信号输出电压范围可知，差分比例运算电路的输出信号为：

其中，DAC输出范围为0.5V～1.5V，REF为1V，R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝10K，差分比例运算电路的输出信号为范围为-0.5V～0.5V。

请参阅图6，为功率放大模块电路结构的示意图，功率放大电路主要由OPA548芯片组成，放大器为双极性电压供电，选用±12V供电。电路的同相比例输入端的输入信号为运算放大器LM358DR2G的输出信号,功率放大电路的输出信号为：

其中，OUT为差分比例运算电路的输出信号，范围为-0.5V～0.5V，R₁₉＝9K，R₁₈＝1K，经功率放大电路电压放大10倍，最终输出信号范围为-5V～5V，最高输出电流I由RCL限流电阻决定，

当RCL＝36K时，最大输出电流被限制小于1.5A，可满足IPMC驱动的电流需要。

请参阅图7，为电源电路结构的示意图，电源电路包括LM2596S-5V稳压芯片、AMS1117-3.3V低压差线性稳压器(LDO)、A0505-1WR2正负双路输出DC-DC模块电源。整个控制系统采用±12V开关电源双路供电，为电源电路的各个电压转换芯片和功放OPA548提供供电电压。

LM2596S-5V稳压芯片将控制系统供电电压+12V转换为+5V电压输出，为DACTLV5608供电并提供5V参考电压；同时通过电阻分压为运算放大器LM358DR2G提供1V参考电压。

AMS1117-3.3V低压差线性稳压器(LDO)将+5V转换为+3.3V电压输出，为单片机STM32F103RCT6供电。

A0505-1WR2正负双路输出DC-DC模块电源将+5V转换为±5V电压输出，为运算放大器LM358DR2G供电。

S4、在硬件系统的基础上，进行相应的软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差等参数，完成整个控制系统的设计。

输出信号波形的产生是通过单片机执行波形发生程序，通过SPI串行通信向DAC的输入端按TLV5608芯片时序发送数据，从而在DAC输出端得到相应的电压波形。为了达到控制IPMC的变形从而控制仿生波动鳍运动的目的，控制系统需要输出固定电压、方波信号、正弦波信号或者不同信号的组合。将确定的数据量发送给DAC即可输出固定电压。向DAC发送方波最大值和方波最小值所对应的数据量，每半个周期改变发送的数据量即可输出方波信号。正弦波信号的电压值时刻都在变化，单片机须在一定的时间间隔下不断地向DAC发送数据量。

请参阅图8，为正弦波数据表示意图，利用MATLAB编程将正弦波一个周期的相位-幅度关系离散化按相同的时间间隔取点，形成正弦波数据表，然后将其存放在单片机的程序存储空间中，按固定的时间间隔发送给DAC，即可输出相应的正弦波信号。

用MATLAB生成正弦波数据表共4个步骤：

(1)确定每周期采样点数。此处每周期设128个相位点，即有128个采样点；

(2)计算出各采样点的正弦函数值；

(3)将上述计算得到的数值归一化,即值域转化为[0,1]，再进一步转化为DAC所需输出电压值域；

(4)根据DAC TLV5608数字信号与模拟电压输出之间的关系，将模拟电压值域转化为DAC对应的CODE数值。

输出信号的幅值通过正弦波数据表中的值域范围调节。

输出信号频率的变化可以改变IPMC摆动的频率，输出信号的频率通过定时器设定的中断时间控制，定时器溢出时间为：

其中，T_OUT为定时器溢出时间；TIM_Period为自动重装载值；TIM_Prescaler为定时器时钟分频，f_clk为定时器时钟频率。

正弦波的频率为：

其中，f_sin为正弦波的频率，point为正弦波数据表一个周期的正弦波点数。

输出信号的相位差通过正弦波数据表查表的起点位置调节，正弦波数据表每周期的采样点为128个，即128个点是一个完整周期2π，则相邻通道查表起点相距64个点相位差为π，32个点相位差为π/2，16个点相位差为π/4，依次类推。

请参阅图9，为本发明控制系统的程序的流程图，首先复位所有外设，初始化Flash接口和Systick，配置系统时钟，初始化所有已配置的外设(GPIO、TIM、SPI)；其次通过定时器TIM8每隔设定的时间间隔触发中断，调用正弦波数据表，发送相应数据到DAC，相应通道输出波形。

本发明再一个实施例中，提供一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计系统，该系统能够用于实现上述IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，具体的，该IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计系统包括性能模块、规划模块、组合模块以及软件模块。

其中，性能模块，根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标；

规划模块，基于性能模块中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

组合模块，根据规划模块设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构；

软件模块，在组合模块设计的硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法的操作，包括：

根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标；基于控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；根据硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构；在硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标；基于控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；根据硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构；在硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

基于本发明设计的一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统，利用制作好的控制电路板生成相应的波形，使用示波器采样。结果请参阅图10，分别为3V1Hz正弦波、3V 1Hz方波、4V 1Hz正弦波、5V 1Hz正弦波、3V 0.5Hz正弦波、3V 1.5Hz正弦波、3V 1Hz 60°相位差正弦波、3V 1Hz 90°相位差正弦波的信号波形图。可见本发明一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统可产生可变波形、幅值、频率和相位差的驱动电压信号，可以满足IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制需求。

综上所述，本发明一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，设计的IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的控制通道多、输出电流大、波形输出多样，可满足IPMC驱动和控制仿生波动鳍运动所需的、具有高输出电流的双极性正弦波和方波；可产生多种可变频率、幅值和相位差的驱动电压信号，容易实现对IPMC驱动的仿生波动鳍的波长、波速等进行调节，满足仿生波动鳍在水中运动的多种运动模态需求。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标，规划控制系统整体性能指标具体为：

控制系统输出的模拟信号为N通道，各通道之间相互独立，并且可以相互配合输出；控制系统输出的电压信号的波形、幅值、频率和相位差可调，电压为-5V～5V，频率为0.1Hz～3Hz；控制系统每个通道的输出电流最大为1.5A；

S2、基于步骤S1中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

S3、根据步骤S2设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构，硬件系统的各模块电路包括主控电路结构、数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构；主控电路结构分别与数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构连接，电源电路结构中，采用±12V开关电源双路供电，同时为功率放大器供电；通过稳压芯片将控制系统供电电压+12V转换为+5V电压输出为DAC数模转换模块供电，通过电阻分压为运算放大器提供1V参考电压；通过低压差线性稳压器(LDO)将+5V转换为+3.3V电压为单片机供电，通过正负双路输出DC-DC模块电源将+5V转换为±5V输出电压为运算放大器供电，数模转换电路结构中，数字信号与模拟电压输出之间的关系：

其中，V_o为DAC数模转换模块输出电压，REF为基准电压，CODE为数字输入值，输入范围为0×000至0×FFC；

差分比例运算电路结构中，差分比例运算电路的输出信号OUT为：

其中，DAC为数模模块电路的输出电压，REF为基准电压，R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝10K；

功率放大电路的输出信号U₀为：

其中，OUT为差分比例运算电路的输出信号，R₁₉＝9K，R₁₈＝1K；

S4、在硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值和相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计，控制波形输出信号具体为：

利用MATLAB将正弦波一个周期的相位-幅度关系离散化，按相同的时间间隔取点形成正弦波数据表，然后将正弦波数据表存放在单片机的程序存储空间中，按固定的时间间隔发送给DAC数模转换模块电路，输出相应的正弦波信号；通过定时器设定的中断时间控制输出信号的频率；通过正弦波数据表中的值域范围调节输出信号的幅值；通过正弦波数据表查表的起点位置调节输出信号的相位差，正弦波数据表每周期的采样点为128个，相邻通道查表起点相距64个点相位差为π，32个点相位差为π/2，16个点相位差为π/4。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，硬件组成模块包括单片机控制模块，单片机控制模块依次经DAC数模转换模块、差分比例运算模块和功率放大模块后输出至IPMC；功率放大模块与电源模块连接；电源模块经DC-DC模块分三路，一路与DAC数模转换模块连接，第二路经LDO模块与单片机控制模块连接，第三路经正负双路DC-DC模块与差分比例运算模块连接。

3.一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计系统，其特征在于，包括：

性能模块，根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标，规划控制系统整体性能指标具体为：

控制系统输出的模拟信号为N通道，各通道之间相互独立，并且可以相互配合输出；控制系统输出的电压信号的波形、幅值、频率和相位差可调，电压为-5V～5V，频率为0.1Hz～3Hz；控制系统每个通道的输出电流最大为1.5A；

规划模块，基于性能模块中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

组合模块，根据规划模块设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构，硬件系统的各模块电路包括主控电路结构、数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构；主控电路结构分别与数模转换电路结构、差分比例运算电路结构、功率放大电路结构和电源电路结构连接，电源电路结构中，采用±12V开关电源双路供电，同时为功率放大器供电；通过稳压芯片将控制系统供电电压+12V转换为+5V电压输出为DAC数模转换模块供电，通过电阻分压为运算放大器提供1V参考电压；通过低压差线性稳压器(LDO)将+5V转换为+3.3V电压为单片机供电，通过正负双路输出DC-DC模块电源将+5V转换为±5V输出电压为运算放大器供电，数模转换电路结构中，数字信号与模拟电压输出之间的关系：

其中，V_o为DAC数模转换模块输出电压，REF为基准电压，CODE为数字输入值，输入范围为0×000至0×FFC；

差分比例运算电路结构中，差分比例运算电路的输出信号OUT为：

其中，DAC为数模模块电路的输出电压，REF为基准电压，R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝10K；

功率放大电路的输出信号U₀为：

其中，OUT为差分比例运算电路的输出信号，R₁₉＝9K，R₁₈＝1K；

软件模块，在组合模块设计的硬件系统的基础上，进行软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差，完成IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统的设计，控制波形输出信号具体为：

利用MATLAB将正弦波一个周期的相位-幅度关系离散化，按相同的时间间隔取点形成正弦波数据表，然后将正弦波数据表存放在单片机的程序存储空间中，按固定的时间间隔发送给DAC数模转换模块电路，输出相应的正弦波信号；通过定时器设定的中断时间控制输出信号的频率；通过正弦波数据表中的值域范围调节输出信号的幅值；通过正弦波数据表查表的起点位置调节输出信号的相位差，正弦波数据表每周期的采样点为128个，相邻通道查表起点相距64个点相位差为π，32个点相位差为π/2，16个点相位差为π/4。

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