CN114545953A - 仿生鱼路径控制方法、装置及仿生鱼 - Google Patents

仿生鱼路径控制方法、装置及仿生鱼 Download PDF

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CN114545953A CN202210442624.3A CN202210442624A CN114545953A CN 114545953 A CN114545953 A CN 114545953A CN 202210442624 A CN202210442624 A CN 202210442624A CN 114545953 A CN114545953 A CN 114545953A
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    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

Abstract

本发明提供一种仿生鱼路径控制方法、装置及仿生鱼，所述方法包括：基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定仿生鱼的动力学模型；基于动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；基于二维方向上的控制律确定仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于三维方向上的控制律确定仿生鱼的螺旋桨转动速度；基于尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度，控制仿生鱼移动至目标位置。本发明基于尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度，对仿生鱼进行控制，从而实现在二维方向和三维方向上对仿生鱼进行精准控制，以使得仿生鱼能够精确移动至目标位置。

Description

仿生鱼路径控制方法、装置及仿生鱼
技术领域
本发明涉及水下机器人控制技术领域，尤其涉及一种仿生鱼路径控制方法、装置及仿生鱼。
背景技术
近年来，水下仿生机器人通过模仿自然界生物卓越的运动能力，正逐渐发展为一种兼顾机动性、隐蔽性以及推进效率的优秀水下作业平台，有着广阔的发展前景。其中，因为小型水下仿生机器人设计紧凑灵活，具有良好的狭窄空间内的机动性、隐蔽性和低成本等特点，有望被应用在狭窄水域的水质监测、目标搜索和集群探测等领域。
为更有效地执行作业任务，仿生鱼作为小型水下仿生机器人的自主性也受到了关注，包括自主巡航、水下避障、路径规划和路径跟踪等。对于小型水下机器人而言，探索灵活高效的推进方式和高精度的三维路径跟踪控制系统可以为狭窄水域的避障、目标搜索和协同作业奠定良好的基础。目前，多采用离子导电聚合物膜作为致动器研制开发了仿生鱼，实现了三维游动。同时，也有利用机载电解槽产生气体控制深度变化，实现了仿生鱼的三维游动。然而，上述方式在控制仿生鱼的路径时精度较低。
发明内容
本发明提供一种仿生鱼路径控制方法、装置及仿生鱼，用以解决现有技术中仿生鱼路径控制精度较低的缺陷。
本发明提供一种仿生鱼路径控制方法，包括：
基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；
基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；
基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；
基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
根据本发明提供的一种仿生鱼路径控制方法，所述基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型，包括：
基于所述机械结构参数、所述运动参数以及所述受力参数，确定所述仿生鱼的初始动力学模型；
在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到所述仿生鱼的动力学模型。
根据本发明提供的一种仿生鱼路径控制方法，所述在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到所述仿生鱼的动力学模型，包括：
在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到简化动力学模型；
在所述简化动力学模型中，将所述仿生鱼的侧滑角置为0，得到所述动力学模型。
根据本发明提供的一种仿生鱼路径控制方法，所述运动参数包括线速度和角速度，所述受力参数包括合外力以及合外力矩；
所述基于所述机械结构参数、所述运动参数以及所述受力参数，确定所述仿生鱼的初始动力学模型，包括：
基于所述合外力，以及所述合外力矩，确定所述仿生鱼的受力矩阵；
基于所述线速度，以及所述角速度，确定所述仿生鱼的速度矩阵；
基于所述仿生鱼的质量、所述仿生鱼的浮心指向质心的向量以及所述仿生鱼的惯性张量，确定所述仿生鱼的角加速度矩阵；
基于所述线速度、所述仿生鱼的质量、所述仿生鱼的浮心指向质心的向量以及所述仿生鱼的惯性张量，确定所述仿生鱼的科氏加速度矩阵；
基于所述受力矩阵、所述速度矩阵、所述角加速度矩阵以及所述科氏加速度矩阵，确定所述初始动力学模型。
根据本发明提供的一种仿生鱼路径控制方法，所述螺旋桨推进力基于如下公式确定：
Figure 258974DEST_PATH_IMAGE001
；
所述螺旋桨力矩基于如下公式确定：
Figure 57776DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，
Figure 515434DEST_PATH_IMAGE003
表示所述螺旋桨推进力，
Figure 283407DEST_PATH_IMAGE004
表示螺旋桨推进力系数，
Figure 101191DEST_PATH_IMAGE005
表示所述仿生鱼的 周围流体密度，
Figure 772474DEST_PATH_IMAGE006
表示螺旋桨转动速度，
Figure 636919DEST_PATH_IMAGE007
表示所述螺旋桨力矩，
Figure 377342DEST_PATH_IMAGE008
表示螺旋桨力矩系 数。
根据本发明提供的一种仿生鱼路径控制方法，所述基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律，包括：
基于所述目标位置，以及所述仿生鱼的当前位置，确定航向误差以及深度误差；
基于所述动力学模型，以及所述航向误差，确定所述二维方向上的控制律；
基于所述动力学模型，以及所述深度误差，确定所述三维方向上的控制律。
根据本发明提供的一种仿生鱼路径控制方法，所述基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度，包括：
基于最小二乘法，对所述运动参数进行拟合，得到拟合曲线对应的第一常数和第二常数；
基于所述第一常数，以及所述二维方向上的控制律，确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度；
基于所述第二常数，以及所述三维方向上的控制律，确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度。
本发明还提供一种仿生鱼路径控制装置，包括：
模型确定单元，用于基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；
控制律确定单元，用于基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；
角度确定单元，用于基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；
路径控制单元，用于基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
本发明还提供一种仿生鱼，包括：
尾鳍、螺旋桨以及控制器，所述控制器用于执行如上所述仿生鱼路径控制方法。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述仿生鱼路径控制方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述仿生鱼路径控制方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述仿生鱼路径控制方法。
本发明提供的仿生鱼路径控制方法、装置及仿生鱼，基于尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度，对仿生鱼进行控制，从而实现在二维方向和三维方向上对仿生鱼进行精准控制，以使得仿生鱼能够精确移动至目标位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的仿生鱼路径控制方法的流程示意图；
图2是本发明提供的仿生鱼系统坐标系示意图；
图3是本发明提供的仿生鱼路径控制装置的结构示意图；
图4是本发明提供的仿生鱼控制流程示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
目前，现有技术多通过如下方法控制仿生鱼：一是采用离子导电聚合物膜作为致动器研制开发了仿生鱼，实现了三维游动。二是利用机载电解槽产生气体控制深度变化，实现了仿生鱼的三维游动。三是采用反步法设计了一种仿生鱼的二维目标跟踪闭环控制器。四是设计了一种鲁棒自适应闭环控制器，在有效载荷和阻力显著变化的情况下，控制仿生鱼的航向。五是提出了一种面向仿生机器鱼的引导和闭环控制方案，使仿生鱼成功通过水下圆环。然而，上述方式在控制仿生鱼的路径时精度较低。
对此，本发明提供一种仿生鱼路径控制方法。图1是本发明提供的仿生鱼路径控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤110、基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定仿生鱼的动力学模型。
此处，仿生鱼的主体舱可以是一个流线型的刚体，其后连接单关节尾鳍。主体舱中可以包括锂电池、直流电机、无线开关、惯导传感器、质量滑块、无线充电线圈、射频通信设备、伺服电机、压力传感器以及螺旋桨。其中，锂电池可以为7.4V锂电池，可为仿生机器鱼提供长达20min的能源供给。直流电机作为重心调节机构的驱动器。无线开关用于保证仿生机器鱼在紧急时刻可远程切断电源。惯导传感器用于实时解算仿生机器鱼的姿态信息。质量滑块作为重心调节机构的被控对象。无线充电线圈用于提供仿生机器鱼的无线充电功能。射频通信设备用于保证仿生机器鱼与上位机间的远距离通信。伺服电机作为尾鳍机构的驱动器。压力传感器用于实时检测仿生机器鱼的下潜深度。螺旋桨对称安装，可显著提高仿生机器鱼垂直面内的机动性。由于仿生鱼使用对称安装的螺旋桨而非胸鳍，从而能够轻松实现垂直下潜和上浮。此外，仿生鱼还包括尾鳍，通过尾鳍与螺旋桨的配合，可轻松实现原地转向。其中，该仿生鱼的外形可以模仿苏虎鱼设计，本发明实施例对此不作具体限定。
在构建仿生鱼的动力学模型前，可以构建仿生鱼的系统坐标系。如图2所示，
Figure 483969DEST_PATH_IMAGE009
表示世界坐标系。其中，
Figure 508295DEST_PATH_IMAGE010
轴沿重力方向，并且坐标原点
Figure 307754DEST_PATH_IMAGE011
固定在水面上。
Figure 535473DEST_PATH_IMAGE012
代表随体坐标系。由于仿生鱼的重心将因质量滑块的移动而改变，因此坐标原 点
Figure 947257DEST_PATH_IMAGE013
固定在浮力中心。
在构建得到仿生鱼的系统坐标系后，可以根据仿生鱼的运动特点（如机械结构参数、运动参数以及受力参数），确定仿生鱼的动力学模型。其中，仿生鱼的机械结构参数用于表征仿生鱼的结构参数，如螺旋桨直径；仿生鱼的运动参数用于表征仿生鱼的运动状态，如仿生鱼的速度；仿生鱼的受力参数用于表征仿生鱼的受力信息，如仿生鱼的合外力。
步骤120、基于动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律。
具体地，目标位置是指当前时刻仿生鱼在目标路径上对应的理论位置。二维方向上的控制律用于表征仿生鱼在二维方向（如航向方向）上的偏航信息，三维方向上的控制律用于表征仿生鱼在三维方向（如深度方向）上的偏航信息。
由于仿生鱼的当前位置和目标位置可能存在偏差，因此基于动力学模型以及目标位置，可以从二维方向和三维方向上对仿生鱼的姿态进行调整，如在二维方向上调整仿生鱼的尾鳍偏置角度，在三维方向上调整仿生鱼的螺旋桨转动速度，从而校正仿生鱼的当前位置，使得仿生鱼移动至目标位置。
步骤130、基于二维方向上的控制律确定仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于三维方向上的控制律确定仿生鱼的螺旋桨转动速度。
步骤140、基于尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度，控制仿生鱼移动至目标位置。
具体地，仿生鱼的尾鳍偏置角度用于调整仿生鱼的航向，从而可以使得仿生鱼在二维方向上收敛至目标位置。仿生鱼的螺旋桨转动速度用于调整仿生鱼的深度，从而可以使得仿生鱼在三维方向上收敛至目标位置。
由此可见，本发明实施例结合尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度，对仿生鱼进行控制，从而实现在二维方向和三维方向上对仿生鱼进行精准控制，以使得仿生鱼移动至目标位置。
本发明实施例提供的仿生鱼路径控制方法，基于尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度，对仿生鱼进行控制，从而实现在二维方向和三维方向上对仿生鱼进行精准控制，以使得仿生鱼能够精确移动至目标位置。
基于上述实施例，基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定仿生鱼的动力学模型，包括：
基于机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定仿生鱼的初始动力学模型；
在仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、仿生鱼的俯仰角以及仿生鱼的横滚角置为0，得到仿生鱼的动力学模型。
具体地，在确定机械结构参数、运动参数以及受力参数后，可以基于牛顿欧拉方程建立仿生鱼的初始动力学模型。其中，初始动力学模型如下：
Figure 593133DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 547182DEST_PATH_IMAGE015
表示仿生鱼的受力矩阵，
Figure 511465DEST_PATH_IMAGE016
表示仿生鱼的速度矩阵，
Figure 225474DEST_PATH_IMAGE017
表示仿生鱼的角 加速度矩阵，与机械结构参数相关，
Figure 227322DEST_PATH_IMAGE018
表示仿生鱼的科氏加速度矩阵，与机械结构参数和运 动参数有关。
Figure 617852DEST_PATH_IMAGE019
表示作用在仿生鱼上的合外力，
Figure 305316DEST_PATH_IMAGE020
表示合外力矩。
Figure 55972DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 410861DEST_PATH_IMAGE022
分别代 表线速度和角速度。
Figure 972293DEST_PATH_IMAGE023
表示向量的
Figure 902378DEST_PATH_IMAGE024
的斜对称矩阵，
Figure 692611DEST_PATH_IMAGE025
表示向量
Figure 416853DEST_PATH_IMAGE026
的斜对称矩 阵，
Figure 398454DEST_PATH_IMAGE027
表示向量
Figure 60510DEST_PATH_IMAGE028
的斜对称矩阵。
Figure 155899DEST_PATH_IMAGE029
表示由仿生鱼本体质量和附加质量构成的总质 量。
Figure 469068DEST_PATH_IMAGE024
表示随体坐标系中由浮心指向质心的向量。
Figure 857455DEST_PATH_IMAGE030
代表惯性张量。
由于初始动力学模型中考虑的参数较多，从而会导致初始动力学模型的计算较为 复杂。初始动力学模型中某些参数对仿生鱼路径控制精度的影响可以忽略不计，如在计算 尾鳍产生的推进力时，仿生鱼周围流体的粘性力可忽略不计，因此平行于尾鳍方向的力可 以忽略不计。其次，由于仿生鱼的游动速度实测范围在0cm/s到10cm/s，并且螺旋桨旋转速 度通常大于50rad/s，因此参数
Figure 505343DEST_PATH_IMAGE031
的值小于0.2（
Figure 886646DEST_PATH_IMAGE032
表示螺旋桨移动速度，
Figure 805055DEST_PATH_IMAGE033
表示螺 旋桨转动速度，
Figure 613611DEST_PATH_IMAGE034
表示螺旋桨直径）。根据螺旋桨的特性，可知螺旋桨推进力系数
Figure 17304DEST_PATH_IMAGE035
和螺 旋桨力矩系数
Figure 687450DEST_PATH_IMAGE036
的变化可忽略不计，进而基于螺旋桨推进力系数
Figure 490059DEST_PATH_IMAGE035
得到的螺旋桨推进 力以及基于螺旋桨力矩系数
Figure 735096DEST_PATH_IMAGE036
得到的螺旋桨力矩可忽略不计。然后，在通常情况下仿生 鱼的重心调节机构不用于俯仰调节，从而可以认为仿生鱼的俯仰角始终为0。最后，忽略螺 旋桨的安装误差，并且以相同的信号控制螺旋桨对，因此横滚角也始终为0。基于上述条件 对仿生鱼的初始动力学模型进行简化后，仿生鱼的动力学模型，从而实现对初始动力学模 型的简化，减少计算复杂量。
基于上述任一实施例，在仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、仿生鱼的俯仰角以及仿生鱼的横滚角置为0，得到仿生鱼的动力学模型，包括：
在仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、仿生鱼的俯仰角以及仿生鱼的横滚角置为0，得到简化动力学模型；
在简化动力学模型中，将仿生鱼的侧滑角置为0，得到动力学模型。
具体地，在仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、仿生鱼的俯仰角以及仿生鱼的横滚角置为0，可以对初始动力学模型进行简化，得到简化动力学模型。其中，简化动力学模型如下：
Figure 593461DEST_PATH_IMAGE037
式中，
Figure 568764DEST_PATH_IMAGE038
表示
Figure 711032DEST_PATH_IMAGE039
方向上的速度，
Figure 877703DEST_PATH_IMAGE040
表示
Figure 987479DEST_PATH_IMAGE041
方向上的速度，
Figure 779854DEST_PATH_IMAGE042
表示
Figure 792941DEST_PATH_IMAGE043
方向上的 速度，
Figure 378117DEST_PATH_IMAGE044
表示尾鳍关节角度，
Figure 476654DEST_PATH_IMAGE045
表示
Figure 72720DEST_PATH_IMAGE046
方向上的角速度，
Figure 438848DEST_PATH_IMAGE047
与仿生鱼的机械结构设计有 关，为在对初始动力学模型进行简化时得到的常数项。
Figure 947321DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 516843DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 903218DEST_PATH_IMAGE050
表示环境的干扰或者螺 旋桨对平面游动的干扰。
进一步地，在简化动力学模型中，将仿生鱼的侧滑角置为0，求取单个摆动周期内的平均作用力，进而对简化动力学模型进行进一步简化，得到动力学模型。其中，动力学模型如下：
Figure 625318DEST_PATH_IMAGE051
式中，
Figure 68806DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 125624DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 548646DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 626717DEST_PATH_IMAGE055
为常 数，
Figure 726260DEST_PATH_IMAGE056
表示尾鳍摆动频率，
Figure 21106DEST_PATH_IMAGE057
表示尾鳍摆动幅度，
Figure 480775DEST_PATH_IMAGE058
表示尾鳍偏置角度。
基于上述任一实施例，运动参数包括线速度和角速度，受力参数包括合外力以及合外力矩；
基于机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定仿生鱼的初始动力学模型，包括：
基于合外力，以及合外力矩，确定仿生鱼的受力矩阵；
基于线速度，以及角速度，确定仿生鱼的速度矩阵；
基于仿生鱼的质量、仿生鱼的浮心指向质心的向量以及仿生鱼的惯性张量，确定仿生鱼的角加速度矩阵；
基于线速度、仿生鱼的质量、仿生鱼的浮心指向质心的向量以及仿生鱼的惯性张量，确定仿生鱼的科氏加速度矩阵；
基于受力矩阵、速度矩阵、角加速度矩阵以及科氏加速度矩阵，确定初始动力学模型。
具体地，合外力可以包括重力、浮力、水动力、尾鳍推进力和螺旋桨推进力。其中，水动力可以采用粘性阻力理论计算得到，尾鳍推进力可以采用大摆幅细长体理论计算得到。
基于合外力
Figure 177467DEST_PATH_IMAGE059
，以及合外力矩
Figure 447911DEST_PATH_IMAGE060
，确定仿生鱼的受力矩阵
Figure 465939DEST_PATH_IMAGE061
。
基于线速度
Figure 480032DEST_PATH_IMAGE062
，以及角速度
Figure 31230DEST_PATH_IMAGE063
，确定仿生鱼的速度矩阵
Figure 721843DEST_PATH_IMAGE064
。
基于仿生鱼的质量
Figure 974970DEST_PATH_IMAGE065
、仿生鱼的浮心指向质心的向量
Figure 543486DEST_PATH_IMAGE066
以及仿生鱼的惯性张 量
Figure 438936DEST_PATH_IMAGE030
，确定仿生鱼的角加速度矩阵
Figure 785604DEST_PATH_IMAGE067
。
基于线速度
Figure 542339DEST_PATH_IMAGE068
、仿生鱼的质量
Figure 147501DEST_PATH_IMAGE069
、仿生鱼的浮心指向质心的向量
Figure 656980DEST_PATH_IMAGE066
以及仿生 鱼的惯性张量
Figure 456440DEST_PATH_IMAGE070
，确定仿生鱼的科氏加速度矩阵
Figure 670777DEST_PATH_IMAGE071
。
最后，基于受力矩阵、速度矩阵、角加速度矩阵以及科氏加速度矩阵，并结合四者 之间的关系
Figure 564784DEST_PATH_IMAGE072
，确定初始动力学模型。
基于上述任一实施例，螺旋桨推进力基于如下公式确定：
Figure 210660DEST_PATH_IMAGE073
；
螺旋桨力矩基于如下公式确定：
Figure 413977DEST_PATH_IMAGE074
；
式中，
Figure 879724DEST_PATH_IMAGE003
表示螺旋桨推进力，
Figure 577422DEST_PATH_IMAGE004
表示螺旋桨推进力系数，
Figure 313690DEST_PATH_IMAGE075
表示仿生鱼的周围流 体密度，
Figure 438641DEST_PATH_IMAGE006
表示螺旋桨转动速度，
Figure 391685DEST_PATH_IMAGE007
表示螺旋桨力矩，
Figure 876761DEST_PATH_IMAGE008
表示螺旋桨力矩系数。
基于上述任一实施例，基于动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律，包括：
基于目标位置，以及仿生鱼的当前位置，确定航向误差以及深度误差；
基于动力学模型，以及航向误差，确定二维方向上的控制律；
基于动力学模型，以及深度误差，确定三维方向上的控制律。
具体地，考虑到仿生鱼在无游动速度控制器的情况下，二维路径跟踪问题和偏航 控制问题等效。因此，本发明实施例定义的航向误差为
Figure 231651DEST_PATH_IMAGE076
，进而基于航向误 差可以构建如下控制问题：
Figure 527503DEST_PATH_IMAGE077
式中，
Figure 203728DEST_PATH_IMAGE078
表示航向误差，
Figure 259540DEST_PATH_IMAGE079
表示目标位置的航向，
Figure 452624DEST_PATH_IMAGE080
表示当前位置的航向，
Figure 168645DEST_PATH_IMAGE081
，此处
Figure 96281DEST_PATH_IMAGE082
假定包含
Figure 939472DEST_PATH_IMAGE083
系数的项可以忽略不计，原因在于尾鳍偏置角度
Figure 250978DEST_PATH_IMAGE058
的 符号会显著影响角加速度的符号，而包含
Figure 888633DEST_PATH_IMAGE083
系数的项是
Figure 37986DEST_PATH_IMAGE084
，所以
Figure 934135DEST_PATH_IMAGE085
近似为0。
基于上述航向误差构建的控制问题可以得到如下二维方向上的控制律：
Figure 101811DEST_PATH_IMAGE086
式中，假定当
Figure 661100DEST_PATH_IMAGE087
时，
Figure 64793DEST_PATH_IMAGE088
。此外，如果定义
Figure 984207DEST_PATH_IMAGE089
以 及
Figure 22701DEST_PATH_IMAGE090
，并且考虑如下自适应迭代项：
Figure 517006DEST_PATH_IMAGE091
式中，
Figure 624639DEST_PATH_IMAGE092
是一个正定对称矩阵。
根据二维方向上的控制律，选取如下李雅普诺夫函数：
Figure 364056DEST_PATH_IMAGE093
根据该李雅普诺夫函数可以获知，当
Figure 758521DEST_PATH_IMAGE094
和
Figure 908880DEST_PATH_IMAGE095
时，
Figure 520121DEST_PATH_IMAGE096
。因此，当
Figure 296185DEST_PATH_IMAGE097
的时候，
Figure 309272DEST_PATH_IMAGE098
。由此可见，本发明实施例提供的二维方向上的控制律能够保证 仿生鱼的航向收敛到参考值，从而保证仿生鱼根据视线导航算法跟踪上期望的二维平面轨 迹。
再有，本发明实施例将二维平面游动和深度运动相互解耦，定义深度误差
Figure 630531DEST_PATH_IMAGE099
，进而基于深度误差可以构建如下控制问题：
Figure 230533DEST_PATH_IMAGE100
式中，
Figure 311753DEST_PATH_IMAGE101
表示深度误差，
Figure 163034DEST_PATH_IMAGE102
表示目标位置的深度，
Figure 435622DEST_PATH_IMAGE103
表示当前位置的深度，
Figure 21455DEST_PATH_IMAGE104
并且
Figure 130532DEST_PATH_IMAGE105
。
基于上述深度误差构建的控制问题可以得到如下三维方向上的控制律：
Figure 101899DEST_PATH_IMAGE106
式中，
Figure 781273DEST_PATH_IMAGE107
和
Figure 87359DEST_PATH_IMAGE108
均是大于0的可调参数。假设
Figure 759649DEST_PATH_IMAGE109
，此 处可以引入自适应迭代项：
Figure 601834DEST_PATH_IMAGE110
式中，
Figure 219153DEST_PATH_IMAGE111
，并且
Figure 497688DEST_PATH_IMAGE112
。
根据三维方向上的控制律，选取如下李雅普诺夫函数：
Figure 458822DEST_PATH_IMAGE113
根据该李雅普诺夫函数可以获知，
Figure 654049DEST_PATH_IMAGE114
。 当
Figure 924493DEST_PATH_IMAGE115
时，
Figure 706635DEST_PATH_IMAGE116
。由此可见，本发明实施例提供的三维方向上的控制律能够保证仿 生鱼的深度收敛到参考值。
基于上述任一实施例，基于二维方向上的控制律确定仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于三维方向上的控制律确定仿生鱼的螺旋桨转动速度，包括：
基于最小二乘法，对运动参数进行拟合，得到拟合曲线对应的第一常数和第二常数；
基于第一常数，以及二维方向上的控制律，确定仿生鱼的尾鳍偏置角度；
基于第二常数，以及三维方向上的控制律，确定仿生鱼的螺旋桨转动速度。
具体地，基于最小二乘法，对运动参数进行拟合，得到拟合曲线对应的非仿射输入 项的第一常数
Figure 972925DEST_PATH_IMAGE117
以及第二常数
Figure 524123DEST_PATH_IMAGE118
。其中，
Figure 496627DEST_PATH_IMAGE119
表示改变尾鳍偏置角度对尾鳍角加速 度的影响因子，
Figure 530180DEST_PATH_IMAGE120
可以理解为在对运动参数进行拟合过程中得到的常数项，也即
Figure 833117DEST_PATH_IMAGE121
可以 理解为尾鳍偏置角度对尾鳍角加速度的部分影响因子。
根据第一常数
Figure 5865DEST_PATH_IMAGE117
，以及二维方向上的控制律
Figure 618112DEST_PATH_IMAGE122
，可以得到尾鳍偏置角度为
Figure 374847DEST_PATH_IMAGE123
；根据第二常数
Figure 245589DEST_PATH_IMAGE124
，以及三维方向生的控制律
Figure 771379DEST_PATH_IMAGE125
，可以得到螺旋 桨转动速度为
Figure 554527DEST_PATH_IMAGE126
。
在得到尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度后，可以对仿生鱼进行姿态控制，以使仿生鱼移动至目标位置。
下面对本发明提供的仿生鱼路径控制装置进行描述，下文描述的仿生鱼路径控制装置与上文描述的仿生鱼路径控制方法可相互对应参照。
基于上述任一实施例，本发明还提供一种仿生鱼路径控制装置，如图3所示，该装置包括：
模型确定单元310，用于基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；
控制律确定单元320，用于基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；
角度确定单元330，用于基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；
路径控制单元340，用于基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
基于上述任一实施例，所述模型确定单元310，包括：
初始模型确定单元，用于基于所述机械结构参数、所述运动参数以及所述受力参数，确定所述仿生鱼的初始动力学模型；
模型简化单元，用于在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到所述仿生鱼的动力学模型。
基于上述任一实施例，所述模型简化单元，包括：
第一简化单元，用于在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到简化动力学模型；
第二简化单元，用于在所述简化动力学模型中，将所述仿生鱼的侧滑角置为0，得到所述动力学模型。
基于上述任一实施例，所述运动参数包括线速度和角速度，所述受力参数包括合外力以及合外力矩；
所述初始模型确定单元，包括：
受力确定单元，用于基于所述合外力，以及所述合外力矩，确定所述仿生鱼的受力矩阵；
速度确定单元，用于基于所述线速度，以及所述角速度，确定所述仿生鱼的速度矩阵；
角加速度确定单元，用于基于所述仿生鱼的质量、所述仿生鱼的浮心指向质心的向量以及所述仿生鱼的惯性张量，确定所述仿生鱼的角加速度矩阵；
科氏加速度确定单元，用于基于所述线速度、所述仿生鱼的质量、所述仿生鱼的浮心指向质心的向量以及所述仿生鱼的惯性张量，确定所述仿生鱼的科氏加速度矩阵；
构建单元，用于基于所述受力矩阵、所述速度矩阵、所述角加速度矩阵以及所述科氏加速度矩阵，确定所述初始动力学模型。
基于上述任一实施例，所述螺旋桨推进力基于如下公式确定：
Figure 46162DEST_PATH_IMAGE001
；
所述螺旋桨力矩基于如下公式确定：
Figure 956481DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，
Figure 366471DEST_PATH_IMAGE003
表示所述螺旋桨推进力，
Figure 320521DEST_PATH_IMAGE004
表示螺旋桨推进力系数，
Figure 51847DEST_PATH_IMAGE127
表示所述仿生鱼 的周围流体密度，
Figure 267321DEST_PATH_IMAGE006
表示螺旋桨转动速度，
Figure 767704DEST_PATH_IMAGE007
表示所述螺旋桨力矩，
Figure 407502DEST_PATH_IMAGE128
表示螺旋桨力矩系 数。
基于上述任一实施例，所述控制律确定单元320，包括：
误差确定单元，用于基于所述目标位置，以及所述仿生鱼的当前位置，确定航向误差以及深度误差；
第一控制律确定单元，用于基于所述动力学模型，以及所述航向误差，确定所述二维方向上的控制律；
第二控制律确定单元，用于基于所述动力学模型，以及所述深度误差，确定所述三维方向上的控制律。
基于上述任一实施例，所述角度确定单元，包括：
拟合单元，用于基于最小二乘法，对所述运动参数进行拟合，得到拟合曲线对应的第一常数和第二常数；
第一角度确定单元，用于基于所述第一常数，以及所述二维方向上的控制律，确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度；
第二角度确定单元，用于基于所述第二常数，以及所述三维方向上的控制律，确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度。
基于上述任一实施例，本发明还一种仿生鱼，包括：
尾鳍、螺旋桨以及控制器，控制器用于执行如上任一实施例所述仿生鱼路径控制方法。
具体地，仿生鱼包括尾鳍、螺旋桨（其可以是对称安装的）以及控制器，控制器用于执行如上任一实施例所述的仿生鱼路径控制方法，以控制尾鳍偏置角度以及螺旋桨转动速度，从而实现精确将仿生鱼移动至目标位置。
其中，如图4所示，控制器可以包括偏航控制器和深度控制器，偏航控制器用于根据惯导传感器采集的仿生鱼的当前角速度，确定偏航误差，并根据偏航误差以及二维方向上的控制律确定尾鳍偏置角度，进而根据尾鳍偏置角度对尾鳍姿态进行调整。深度控制器用于根据深度传感器采集的仿生鱼的当前深度，确定深度误差，并根据深度误差以及三维方向上的控制律确定螺旋桨转动速度，进而根据螺旋桨转动速度对螺旋桨速度进行调整，最终使得仿生鱼准确移动至目标位置。
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、存储器(memory)520、通信接口(Communications Interface)530和通信总线540，其中，处理器510，存储器520，通信接口530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器520中的逻辑指令，以执行仿生鱼路径控制方法，该方法包括：基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
此外，上述的存储器520中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的仿生鱼路径控制方法，该方法包括：基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的仿生鱼路径控制方法，该方法包括：基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种仿生鱼路径控制方法，其特征在于，包括：
基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；
基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；
基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；
基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
2.根据权利要求1所述的仿生鱼路径控制方法，其特征在于，所述基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型，包括：
基于所述机械结构参数、所述运动参数以及所述受力参数，确定所述仿生鱼的初始动力学模型；
在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到所述仿生鱼的动力学模型。
3.根据权利要求2所述的仿生鱼路径控制方法，其特征在于，所述在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到所述仿生鱼的动力学模型，包括：
在所述仿生鱼的初始动力学模型中，将平行于尾鳍方向的力、螺旋桨推进力、螺旋桨力矩、所述仿生鱼的俯仰角以及所述仿生鱼的横滚角置为0，得到简化动力学模型；
在所述简化动力学模型中，将所述仿生鱼的侧滑角置为0，得到所述动力学模型。
4.根据权利要求2所述的仿生鱼路径控制方法，其特征在于，所述运动参数包括线速度和角速度，所述受力参数包括合外力以及合外力矩；
所述基于所述机械结构参数、所述运动参数以及所述受力参数，确定所述仿生鱼的初始动力学模型，包括：
基于所述合外力，以及所述合外力矩，确定所述仿生鱼的受力矩阵；
基于所述线速度，以及所述角速度，确定所述仿生鱼的速度矩阵；
基于所述仿生鱼的质量、所述仿生鱼的浮心指向质心的向量以及所述仿生鱼的惯性张量，确定所述仿生鱼的角加速度矩阵；
基于所述线速度、所述仿生鱼的质量、所述仿生鱼的浮心指向质心的向量以及所述仿生鱼的惯性张量，确定所述仿生鱼的科氏加速度矩阵；
基于所述受力矩阵、所述速度矩阵、所述角加速度矩阵以及所述科氏加速度矩阵，确定所述初始动力学模型。
5.根据权利要求2所述的仿生鱼路径控制方法，其特征在于，所述螺旋桨推进力基于如下公式确定：
Figure 83171DEST_PATH_IMAGE001
；
所述螺旋桨力矩基于如下公式确定：
Figure 99406DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，
Figure 437984DEST_PATH_IMAGE003
表示所述螺旋桨推进力，
Figure 750147DEST_PATH_IMAGE004
表示螺旋桨推进力系数，
Figure 426373DEST_PATH_IMAGE005
表示所述仿生鱼的周围 流体密度，
Figure 482185DEST_PATH_IMAGE006
表示螺旋桨转动速度，
Figure 940848DEST_PATH_IMAGE007
表示所述螺旋桨力矩，
Figure 656869DEST_PATH_IMAGE008
表示螺旋桨力矩系数。
6.根据权利要求1至5任一项所述的仿生鱼路径控制方法，其特征在于，所述基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律，包括：
基于所述目标位置，以及所述仿生鱼的当前位置，确定航向误差以及深度误差；
基于所述动力学模型，以及所述航向误差，确定所述二维方向上的控制律；
基于所述动力学模型，以及所述深度误差，确定所述三维方向上的控制律。
7.根据权利要求1至5任一项所述的仿生鱼路径控制方法，其特征在于，所述基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度，包括：
基于最小二乘法，对所述运动参数进行拟合，得到拟合曲线对应的第一常数和第二常数；
基于所述第一常数，以及所述二维方向上的控制律，确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度；
基于所述第二常数，以及所述三维方向上的控制律，确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度。
8.一种仿生鱼路径控制装置，其特征在于，包括：
模型确定单元，用于基于仿生鱼的机械结构参数、运动参数以及受力参数，确定所述仿生鱼的动力学模型；
控制律确定单元，用于基于所述动力学模型，以及目标位置，确定二维方向上的控制律和三维方向上的控制律；
角度确定单元，用于基于所述二维方向上的控制律确定所述仿生鱼的尾鳍偏置角度，以及基于所述三维方向上的控制律确定所述仿生鱼的螺旋桨转动速度；
路径控制单元，用于基于所述尾鳍偏置角度以及所述螺旋桨转动速度，控制所述仿生鱼移动至所述目标位置。
9.一种仿生鱼，其特征在于，包括：
尾鳍、螺旋桨以及控制器，所述控制器用于执行权利要求1至7任一项所述仿生鱼路径控制方法。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述仿生鱼路径控制方法。
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