CN117170251A - 一种基于cpg相位振荡器的间歇性驱动控制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及持续运作型机器的运动控制技术领域，具体涉及一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法及其装置，包括获取所控制的连续运作型机器当前控制量参数；根据所控制的连续运作型机器的特性设定模态切换参数；基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并获取期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值；根据所述CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速。本发明根据所设定控制量阈值触发模态切换功能，利用激励加速、惯性减速特性进行控制，降低机器持续工作时能量消耗，提高连续运作型机器的能量效率。
Description
技术领域
本发明涉及持续运作型机器的运动控制技术领域，具体涉及一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法及其装置。
背景技术
节律运动由动物的脊髓神经中的中央模式发生器（Central Pattern 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运动模态。利用CPG模型可以让仿生机器人的运动模式更加贴合生物的行为，也可以为其他需要重复执行相同动作的机械提供更简便的控制方式。
对于CPG模型而言，其输出的是节律信号，特征是对于某种模式刺激做出有规律的反应，其应用范围不仅仅局限于仿生控制之上，许多运行信号具有一定复杂度，对于需要周期性运作的机器，也可以利用CPG控制来简化运算。然而，对于现有的机器控制方法，大都受限于各自的运动形式，只能以单一运动状态执行工作任务，这极大地限制了机器的工作能力和应用场景。此外，机器连续的高速运行难免会产生许多空转的情况，造成能量的浪费，这就需要一种新的控制方法来实现机器的运动方式的切换。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明主要针对现有的机器控制方法，大都受限于各自的运动形式，只能以单一运动状态执行工作任务，这极大地限制了机器的工作能力和应用场景的问题，提供一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，该方法根据所设定控制量阈值触发模态切换功能，利用激励加速、惯性减速特性进行控制，可以应用在仿生航行器、汽车雨刷等领域，降低机器持续工作时能量消耗，提高连续运作型机器的能量效率。
本发明目的是提供一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，包括：
获取所控制的连续运作型机器当前控制量参数；
根据所控制的连续运作型机器的特性设定模态切换参数；
基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并获取期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值；
根据所述CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速。
优选的，所述连续运作型机器的特性指的是机器连续加速或滑动减速的特性。
优选的，所述模态切换参数包括激励加速模式切换为惯性减速模式的第一控制量阈值，以及惯性减速模式切换为激励加速模式的第二控制量阈值。
优选的，若当前机器处于激励加速模式，且激励加速至当前控制量参数大于第一控制量阈值时，则根据当前控制量参数与第一控制量阈值对当前的期望振幅进行更新。
优选的，根据当前控制量参数与第一控制量阈值对当前的期望振幅进行更新，其公式如下：
式中，表示更新后的期望振幅；/>表示设定的期望振幅；/>表示当前控制量参数；/>表示第一控制量阈值；/>表示常数；/>表示自然常数。
优选的，若当前机器处于惯性减速模式，且惯性减速至当前控制量参数小于第二控制量阈值时，则根据当前控制量参数与第二控制量阈值对当前的期望振幅进行更新。
优选的，根据当前控制量参数与第二控制量阈值对当前的期望振幅进行更新，其公式如下：
式中，表示更新后的期望振幅；/>表示设定的期望振幅；/>表示当前控制量参数；/>表示第二控制量阈值；/>表示常数；/>表示自然常数。
优选的，所述CPG相位振荡器模型如下：
式中，第一个方程为振幅方程，表示幅值；/>表示控制振幅收敛速度的正常数；表示期望振幅；i表示第i个CPG相位振荡器单元；/>表示幅值的一阶导数；/>表示幅值的二阶导数；
第二个方程为相位方程，表示第i个单元的相位；/>表示第j个单元的相位；/>表示固有频率；/>表示第j个单元对第i个单元的耦合权重；/>表示单元i和单元j之间的期望相位差；/>表示第i个单元的相位的一阶导数；
第三个方程为输出方程，表示输出；/>表示第i个单元的相位。
本发明还提供了一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制装置，包括：
数据采集模块，用于获取所控制的连续运作型机器当前控制量参数；
数据处理模块，用于根据所控制的连续运作型机器的特性设定模态切换参数；
基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并获取期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值；
间歇性控制模块，用于根据所述CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供了一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，该方法基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并通过期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速，从而实现了持续运作型航行器在不同控制量状态下的输出。这种控制方法计算简便、反应迅速、过渡平滑，并且使持续运作型机器在完成相同的工作量时，相较连续运行方式消耗更少的能量。本发明利用了激励加速和惯性减速特性，在不对平均运行速度和运动反馈速度有要求的场合下可以显著提高机器工作时的能量效率。并通过调节门限方程的系数可以调整控制量在达到门限值后的调节控制量或平滑度，让模态切换时CPG输出的变化更加平稳，起到保护机器动力装置的作用。
附图说明
图1是仿生扑翼航行器CPG模型拓扑结构图。
图2是仿生扑翼航行器游动速度曲线。
图3是仿生扑翼航行器左侧胸鳍前方舵机对应的CPG单元1~2输出结果曲线。
图4是仿生扑翼航行器在设定胸鳍扑动振幅，扑动模态频率/>条件下CPG振荡器单元1连续扑动方式和本发明提供的滑扑切换方式的输出功率关于时间的对比曲线图。
具体实施方式
为了阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及效果，以下结合实施例，进行详细说明。
本发明提出一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法。该方法在所设定控制量阈值触发模态切换功能，利用激励加速、惯性减速特性进行控制，可以应用在仿生航行器、汽车雨刷等领域，降低机器持续工作时能量消耗。
本发明提供的一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，包括：
获取所控制的连续运作型机器当前控制量参数；
根据所控制的连续运作型机器的特性设定模态切换参数；
基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并获取期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值；
根据所述CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速。
具体的，所述连续运作型机器的特性指的是航行器连续加速或滑动减速的特性。其中，所述模态切换参数包括激励加速模式切换为惯性减速模式的第一控制量阈值，以及惯性减速模式切换为激励加速模式的第二控制量阈值。
在一实施例中，若当前机器处于激励加速模式，且激励加速至当前控制量参数大于第一控制量阈值时，则根据当前控制量参数与第一控制量阈值对当前的期望振幅进行更新。若当前机器处于惯性减速模式，且惯性减速至当前控制量参数小于第二控制量阈值时，则根据当前控制量参数与第二控制量阈值对当前的期望振幅进行更新。
在惯性减速模式与激励加速模式进行切换时，由传感器获取航行器当前控制量参数，也就是当前机器速度，依据设定的控制量门限值和航行器运动状态进行运动模态切换。
需要说明的是，连续运作型机器控制过程中，首先进行初始化CPG输入参数，根据CPG相位振荡器的输出控制运动单元的转动，从而控制机器运动单元进行加速或减速。
其中，根据当前控制量参数与第一控制量阈值对当前的期望振幅进行更新，其公式如下：
式中，表示更新后的期望振幅；/>表示设定的期望振幅；/>表示当前控制量参数；/>表示第一控制量阈值；/>表示常数；/>表示自然常数。
根据当前控制量参数与第二控制量阈值对当前的期望振幅进行更新，其公式如下：
式中，表示更新后的期望振幅；/>表示设定的期望振幅；/>表示当前控制量参数；/>表示第二控制量阈值；/>表示常数；/>表示自然常数。
根据本发明，所述CPG相位振荡器模型如下：
式中，第一个方程为振幅方程，表示幅值；/>表示控制振幅收敛速度的正常数；表示期望振幅；i表示第i个CPG相位振荡器单元；/>表示幅值的一阶导数；/>表示幅值的二阶导数；
第二个方程为相位方程，表示第i个单元的相位；/>表示第j个单元的相位；/>表示固有频率；/>表示第j个单元对第i个单元的耦合权重；/>表示单元i和单元j之间的期望相位差；/>表示第i个单元的相位的一阶导数；
第三个方程为输出方程，表示输出；/>表示第i个单元的相位；/>与/>存在直接映射关系。
为使本发明的目的、技术方案和优点全面、清晰的展现出来，下面将结合附图对一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法的具体实施方式做进一步的详细说明。
以仿生扑翼航行器为例，基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一，获取所控制的仿生扑翼航行器的当前控制量参数，记为；根据仿生扑翼航行器连续扑动速度特性设定滑扑切换的参数，设置扑动切换为滑动的速度阈值，即第一控制量阈值为/>，设置滑动切换为扑动的速度阈值，即为第二控制量阈值/>；
步骤二：初始化CPG输入参数，使用CPG相位振荡器模型的输出控制舵机单元的转动角度，进而控制仿生扑翼航行器胸鳍连续扑动进行加速或减速。
本实施例所使用的仿生扑翼航行器拓扑结构图如图1所示，其中，单元1、单元2、单元3、单元4分别对应航行器中的1个驱动舵机。
滑扑切换涉及CPG模型的振幅方程和相位方程：
其中，第一个方程为振幅方程，表示幅值；/>表示控制振幅收敛速度的正常数；表示期望振幅；i表示第i个CPG相位振荡器单元；/>表示幅值的一阶导数；/>表示幅值的二阶导数；
第二个方程为相位方程，表示第i个单元的相位；/>表示第j个单元的相位；/>表示固有频率；/>表示第j个单元对第i个单元的耦合权重；/>表示单元i和单元j之间的期望相位差；/>表示第i个单元的相位的一阶导数；
输出方程表达式为：
其中，表示输出；/>表示第i个单元的相位；/>与/>存在直接映射关系。
设定胸鳍扑动频率，胸鳍扑动振幅/>。
步骤三：由DVL传感器获取航行器前游速度，即为当前控制量参数，依据航行器运动状态进行滑扑状态切换。
步骤四：扑动加速，也就是激励加速时，期望振幅由如下方程控制：
其中，是常数，选取合适的/>可以使/>时，/>；而当/>时，新的期望振幅/>，航行器由扑动状态切换到滑翔状态；/>表示自然常数。
步骤五：滑动减速时，也就是惯性减速时，期望振幅由如下方程控制：
当时，新的期望振幅/>，航行器继续滑翔；而当/>时，航行器由滑翔状态切换到扑动状态。航行器根据当前速度，重复执行步骤3至步骤5的过程，实现航行器的基于当前速度的间歇性滑扑运动；/>表示自然常数。
其中，本实施例中，设定门限控制系数。
在本实施例中，利用仿生扑翼航行器样机在真实环境中对所提出的基于CPG相位振荡器间歇性滑扑切换的速度控制方法进行实验，图2展示了实验过程中仿生扑翼航行器游动速度曲线，图3展示了实验过程中仿生扑翼航行器左侧胸鳍前方舵机对应的CPG单元1~2输出结果曲线。从图2和图3中可以看出在速度达到设定值时，CPG单元输出结果在正弦信号和定值之间切换，控制航行器较好的完成了在速度上限和下限处的激励加速和滑翔减速模态之间的切换。
具体的，本实施例的控制方法在降低仿生扑翼航行器游动时的能量消耗方面具有显著效果。图4展示了在设定胸鳍扑动振幅，扑动模态频率/>条件下连续扑动方式和本发明提供的滑扑切换方式的振荡器单元1的输出功率关于时间的曲线，两种方式游过的距离相同。按照如下公式计算全程功耗：
其中为每个采样点的功率，/>为采样间隔。
计算连续扑动方式能量消耗，滑扑切换方式能量消耗，可以得到滑扑切换方式相比连续扑动方式节省能量的百分比为：
结果显示：实验所设定工况下，本发明提供的滑扑切换的控制方法在通过相同距离时，相比连续扑动的控制方法节约了大约十分之三的能量。进一步说明本发明提供的一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，使持续运作型机器在完成相同的工作量时，相较连续运行方式消耗更少的能量。
需要说明的是，本发明提供方法也可以以汽车雨刷为例，根据雨刷运动特性设定模态切换的参数，设置控制扫动频率的水量阈值为，用传感器获取每次雨刷立起时流下的水量/>，利用门限方程(1)对雨刷扫动频率进行控制，雨量大时高频扫动，雨量小时低频扫动，在保证视野的同时可以起到节省能量的作用。
本发明还提供了一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制装置，包括：
数据采集模块，用于获取所控制的连续运作型机器当前控制量参数；
数据处理模块，用于根据所控制的连续运作型机器的特性设定模态切换参数；
基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并获取期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值；
间歇性控制模块，用于根据所述CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，包括：获取所控制的连续运作型机器当前控制量参数；
根据所控制的连续运作型机器的特性设定模态切换参数；
基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并获取期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值；
根据所述CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速。
2.根据权利要求1所述的基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，所述连续运作型机器的特性指的是机器连续加速或滑动减速的特性。
3.根据权利要求1所述的基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，所述模态切换参数包括激励加速模式切换为惯性减速模式的第一控制量阈值，以及惯性减速模式切换为激励加速模式的第二控制量阈值。
4.根据权利要求3所述的基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，若当前机器处于激励加速模式，且激励加速至当前控制量参数大于第一控制量阈值时，则根据当前控制量参数与第一控制量阈值对当前的期望振幅进行更新。
5.根据权利要求4所述的基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，根据当前控制量参数与第一控制量阈值对当前的期望振幅进行更新，其公式如下：
式中，表示更新后的期望振幅；/>表示设定的期望振幅；/>表示当前控制量参数；表示第一控制量阈值；/>表示常数；/>表示自然常数。
6.根据权利要求3所述的基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，若当前机器处于惯性减速模式，且惯性减速至当前控制量参数小于第二控制量阈值时，则根据当前控制量参数与第二控制量阈值对当前的期望振幅进行更新。
7.根据权利要求6所述的基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，根据当前控制量参数与第二控制量阈值对当前的期望振幅进行更新，其公式如下：
式中，表示更新后的期望振幅；/>表示设定的期望振幅；/>表示当前控制量参数；表示第二控制量阈值；/>表示常数；/>表示自然常数。
8.根据权利要求1所述的基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制方法，其特征在于，所述CPG相位振荡器模型如下：
式中，第一个方程为振幅方程，表示幅值；/>表示控制振幅收敛速度的正常数；/>表示期望振幅；i表示第i个CPG相位振荡器单元；/>表示幅值的一阶导数；/>表示幅值的二阶导数；
第二个方程为相位方程，表示第i个单元的相位；/>表示第j个单元的相位；/>表示固有频率；/>表示第j个单元对第i个单元的耦合权重；/>表示单元i和单元j之间的期望相位差；/>表示第i个单元的相位的一阶导数；
第三个方程为输出方程，表示输出；/>表示第i个单元的相位。
9.一种基于CPG相位振荡器的间歇性驱动控制装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取所控制的连续运作型机器当前控制量参数；
数据处理模块，用于根据所控制的连续运作型机器的特性设定模态切换参数；
基于CPG相位振荡器模型，根据模态切换参数与当前控制量参数之间的差异对所述模型中的期望振幅进行更新，并获取期望振幅更新后对应CPG相位振荡器模型的输出值；
间歇性控制模块，用于根据所述CPG相位振荡器模型的输出值控制连续运作型机器中的运动单元进行间歇性加速或减速。
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|---|
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|---|---|---|---|---|
| CN117406757A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-01-16 | 西北工业大学宁波研究院 | 一种基于三维全局视觉的水下自主航行方法 |
| CN117406757B (zh) * | 2023-12-12 | 2024-04-19 | 西北工业大学宁波研究院 | 一种基于三维全局视觉的水下自主航行方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117170251B (zh) | 2024-01-26 |
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