CN116482974A - 一种具有滑扑切换功能的cpg相位振荡器模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型及应用,该模型通过构建振幅偏置方程来引入振幅偏置;通过将输出方程中的余弦函数改变为振幅偏置和正弦函数相加的形式,实现类正弦信号的输出,从而实现空间非对称扑动;通过引入空间非对称拍动系数来实现振幅偏置的改变;将振幅偏置方程设计为振幅是否为0的两种不同形式,即可实现定量角度偏置信号和周期性节律信号的不同输出,从而实现扑动和滑翔的两种不同模态;将振幅偏置方程和改进后的输出方程引入传统的CPG相位振荡器模型中,即可完成具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型的构建。本发明构建的CPG相位振荡器模型用于仿生扑翼机器人的滑翔与扑动模态的切换及运动控制,可实现扑翼结构的空间非对称上下扑动与定量角度偏置,且振幅偏置单独可控、扑动与滑翔模态切换快速且平滑,具有计算简单、控制方便、环境适用性强的特点。

Description

一种具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型
技术领域
本发明涉及仿生扑翼机器人运动控制,具体地说,涉及一种具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型及其应用。
背景技术
自然界中存在依靠胸鳍推进在水中灵活游动的生物和形形色色的扑翼飞行生物。这些生物由于自身演变出的特性而具备在特定的生存环境下超凡的运动性能。研究人员通过模仿这些生物的特性和运动机理开发了各式各样的仿生扑翼机器人,并广泛的应用于水质监测、海洋搜救、战场侦测等场景。根据这些需求,仿生扑翼机器人需要具有很强的运动灵活度和运动模态切换能力,因此对机器人的运动模态快速切换有了更高的要求。然而对于现有的仿生扑翼机器人,都受限于各自的运动形式,只能以扑动或滑翔的单一运动状态执行工作任务,这极大限制了机器人的应用场景和工作能力。
学者研究表明,节律运动由动物的脊髓神经中的中央模式发生器(CentralPattern Generator,CPG)控制。CPG是一种神经网络,是由多个神经元构成的振荡网络,通过神经元的相互连接实现自激振荡,产生具有稳定相位关系的周期信号。所有CPG单元通过拓扑连接关系形成CPG神经网络,从而控制生物的诸多参数。传统的CPG相位振荡器模型仅能输出幅值不断变化的信号,从而实现扑动模态,难以将输出信号保持在某个偏置角度,实现滑翔模态。故采用传统的CPG相位振荡器模型实现仿生扑翼机器人的滑翔与扑动模态切换十分困难,需要设计一种新的CPG相位振荡器模型。
发明内容
为了避免现有技术的不足之处,实现仿生扑翼机器人的滑翔与扑动模态切换,本发明提出一种具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型。该方法的特点是:针对仿生机器人,通过建立具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型,产生具有相应特征的滑翔角度偏转信号或扑动节律信号,实现相位振荡器对应单元的控制,进而实现仿生扑翼机器人滑翔与扑动模态的切换。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是通过添加振幅偏置方程实现扑动和滑翔过程中振幅偏置的改变;通过设定期望振幅为0与否分别实现滑翔和扑动模态;构建具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型;由CPG控制器输出角度偏转信号或类正弦节律信号控制相位振荡器对应单元,从而实现仿生扑翼机器人滑翔与扑动模态的切换。
本发明利用具有振幅偏置方程的CPG相位振荡器来实现滑翔与扑动模态的切换,其基于如下的传统相位振荡器模型,
其中,第一个方程为振幅方程,ai表示幅值,γi表示控制振幅收敛速度的正常数,Ai表示期望振幅;第二个方程为相位方程,φi表示第i个单元的相位,fi表示固有频率,ωij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重,表示期望相位差;第三个方程为输出方程,θi表示输出值。其中ai、γi、φi、ωij为状态参数,Ai、fi、/>为输入的控制参数。可以看出,以上模型中,输出的信号是节律信号,无法实现由扑动状态切换到滑翔状态所需的固定角度偏转信号的转变:
本发明仿照振幅方程建立振幅偏置方程,其表达式为:
其中,axi表示振幅偏置,bi表示控制振幅偏置收敛速度的正常数,Axi表示期望振幅偏置。
输出方程表示为:
θi=axi+ai sin(φi)
引入空间非对称拍动系数μi,当期望振幅Ai不为0时,其定义为期望振幅偏置与期望振幅的比值;当Ai为0时,其定义为期望振幅偏置与转化为滑翔状态之前(或之后)的期望振幅的比值。空间非对称拍动系数μi表示为:
其中,Ai表示期望振幅,Aimax表示转化为滑翔状态之前(或之后)的扑动状态的期望振幅。
将建立的振幅偏置方程、输出方程与空间非对称拍动系数μi引入传统的CPG相位振荡器模型中,得到改进后具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型为:
当Ai不为0时,相位振荡器通过μi控制空间非对称拍动特征,实现节律信号的输出,实现仿生扑翼机器人的扑动模态;当Ai为0时,表示扑翼无周期拍动,相位振荡器通过μi控制振幅偏置大小,实现扑翼的定量角度偏转,从而实现仿生扑翼机器人的滑翔模态。经过方程运算可改变各CPG单元的输出,进而实现各CPG单元对应扑翼的控制,由此实现仿生扑翼机器人扑动模态和滑翔模态的相互切换。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明设计了一种具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型,实现了仿生扑翼机器人滑翔与扑动模态的切换,具有计算简单、控制方便、响应迅速、环境适用性强的特点。
1.传统的CPG相位振荡器模型只能产生输出值大于0的余弦信号,而进行仿生扑翼机器人的扑翼结构控制时需要输出类正弦信号,以进行扑翼的上下拍运动,故采用传统的CPG相位振荡器难以实现仿生扑翼机器人的运动控制。本发明引入了振幅偏置,改变了输出方程,能够实现类正弦信号输出,有利于实现扑翼结构的上下扑动;
2.定义了空间非对称拍动系数μi,具有明确的物理意义,能够单独控制输出信号的偏置,将输出信号保持在某个偏置角度,能够仿生扑翼机器人的滑翔模态;
3.通过建立振幅偏置方程来改变振幅偏置大小,通过改变振幅为0与否来实现扑翼滑翔与扑动的模态切换,可实现两种不同模态的快速平稳过渡。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是仿生扑翼机器人滑扑切换原理示意图。
图2是本发明所述传统的CPG相位振荡器模型输出图。
图3是本发明所述改进后滑扑切换的信号输出图。
图4是本发明所述仿蝠鲼航行器的滑扑切换功能示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点全面、清晰的展现出来,下面将结合附图对具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型的具体实施方式做进一步的详细说明。需要提前说明的是,为了便于描述,所给出的附图仅是本发明相关的部分结构示意图,并非是本发明的全部实施例。
如图1所示,本发明改进了传统的CPG相位振荡器,提出了一种具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型。本发明具体实施的相位振荡器构建过程包括以下步骤:
1.传统的相位振荡器方程如下所示:
其中,第一个方程为振幅方程,ai表示幅值,γi表示控制振幅收敛速度的正常数,Ai表示期望振幅;第二个方程为相位方程,φi表示第i个单元的相位,fi表示固有频率,ωij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重,表示期望相位差;第三个方程为输出方程,θi表示输出值。
设定fi=0.4,Ai=20,相位振荡器的输出如图2所示。可以看到,虽然输出信号的频率及幅值达到了期望值,但是该输出信号为大于0的余弦信号,无法实现正弦信号输出,因此无法实现进行扑翼的上下拍运动;且输出信号无法维持在某一定值,因此扑翼也就无法维持在某一偏转角度从而实现滑翔运动。
2.仿照振幅方程建立振幅偏置方程,其表达式为:
其中,axi表示振幅偏置,bi表示控制振幅偏置收敛速度的正常数,Axi表示期望振幅偏置。
输出方程表示为:
θi=axi+ai sin(φi)
3.引入空间非对称拍动系数μi,当期望振幅Ai不为0时,其定义为期望振幅偏置与期望振幅的比值;当Ai为0时,其定义为期望振幅偏置与转化为滑翔状态之前(或之后)的期望振幅的比值。空间非对称拍动系数表示为:
其中,Ai表示期望振幅,Aimax表示转化为滑翔状态之前(或之后)的扑动状态的期望振幅。
4.将建立的振幅偏置方程、输出方程与空间非对称拍动系数μi引入传统的CPG相位振荡器模型中,得到改进后具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型为:
初始变量Ai、T、δi、μi分别为20°、2.5s、1、0.5。开始时输出变量θ为空间非对称性节律信号,最大输出为30°,最小输出为-10°;然后3s时μi从0.5变为1.5,Ai从20°变为0°,输出信号由空间非对称性节律信号转变为定量角度偏转信号,输出变量θ经过较短的稳定时间后稳定为30°,实现了扑动模态到滑翔模态的切换;再然后8s时μi从1.5变为0.5,Ai从0°变为20°,输出信号由定量角度偏转信号重新转变为空间非对称性节律信号,实现了滑翔模态到扑动模态的切换,相位振荡器的输出如图3所示。可以看到,通过改变空间非对称系数μi和幅值Ai是否为0,实现了CPG相位振荡器由空间非对称性节律信号到定量角度偏转信号的相互转变,实现了不同种类信号的快速平滑过渡和滑翔与扑动模态的快速切换。
5.当Ai不为0时,相位振荡器通过μi控制空间非对称拍动特征,实现节律信号的输出,实现仿生扑翼机器人的扑动模态;当Ai为0时,表示扑翼无周期拍动,相位振荡器通过μi控制振幅偏置大小,实现扑翼的定量角度偏转,从而实现仿生扑翼机器人的滑翔模态。经过方程运算可改变各CPG单元的输出,进而实现各CPG单元对应扑翼的控制,由此实现仿生扑翼机器人扑动模态和滑翔模态的相互切换。
6.将本发明提出的相位振荡器应用于仿蝠鲼航行器的滑扑切换控制当中,如图4所示。仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含3个舵机,分别命名为舵机1、2、3,右侧胸鳍舵机命名为舵机4、5、6,6个驱动舵机分别对应6根胸鳍鳍条。每个舵机由一个相位振荡器模型控制,舵机间的相互联系通过CPG拓扑网络及耦合项实现。当Ai不为0时,控制系统能够将CPG网络中各CPG相位振荡器输出的空间非对称信号转换成具有偏置的舵机转动角度控制信号,实现仿蝠鲼航行器的扑动模态;当Ai为0时,通过改变μi,CPG相位振荡器输出定量角度偏转信号,各舵机转动角度保持在定值,无周期拍动,使得胸鳍保持在固定的偏置角度,实现仿蝠鲼航行器的滑翔模态,由此实现仿蝠鲼航行器的滑扑切换功能。
以上所述的具体实施例仅为对本发明的技术思想进行展示和说明,不能用于限定本发明,凡在本发明的设计思想和原则之内,在技术方案上所做的任何修改、替换及改进等,均应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型,其特征在于,模型表达如下:
其中,第一个方程为振幅方程,axi表示振幅偏置,bi表示控制振幅偏置收敛速度的正常数,Ai表示期望振幅,μi为空间非对称拍动系数:Axi表示期望振幅偏置,Aimax表示转化为滑翔状态之前(或之后)的扑动状态的期望振幅;
第二个方程中,ai表示幅值,γi表示控制振幅收敛速度的正常数;
第三个方程为相位方程,φi表示第i个单元的相位,fi表示固有频率,ωij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重,表示期望相位差;
第四个方程为输出方程,θi表示输出值,ai、γi、φi、ωij为状态参数,Ai、fi为输入的控制参数。
2.如权利要求1所述的具有滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型在仿生扑翼机器人扑动模态与滑翔模态相互切换中的应用,其特征在于,当Ai不为0时,相位振荡器通过μi控制空间非对称拍动特征,实现节律信号的输出,实现仿生扑翼机器人的扑动模态;当Ai为0时,表示扑翼无周期拍动,相位振荡器通过μi控制振幅偏置大小,实现扑翼的定量角度偏转,从而实现仿生扑翼机器人的滑翔模态,经过方程运算可改变各CPG单元的输出,进而实现各CPG单元对应扑翼的控制,由此实现仿生扑翼机器人扑动模态和滑翔模态的相互切换。
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