CN117850245B - 一种软体机器鱼及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种软体机器鱼及其控制方法，该方法包括：通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；其中，所述摆动方程由水环境阻力与游动速度的函数、机器鱼的运动动能、机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，表征机器鱼位姿的广义坐标，以及表征机器鱼所受的驱动力和流体作用力的广义力共同确定；通过中央模式发生器CPG调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，调整机器鱼的游动速度和游动方向。本发明的方法能够减少机器鱼摆动消耗的能量，提高游动效率，延长机器鱼的游动续航时间，兼具低耗能和多场景定速巡航的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人领域，特别是涉及一种软体机器鱼及其控制方法。
背景技术
随着人类对海洋的探索日趋深入，越来越多的海洋观测装备被研究出来。水下环境复杂性和不确定性给海洋观测装备的使用带来巨大的挑战，比如大型的海洋探测装置操作受限，水下运动能量消耗巨大，且燃料难以补给。因此急切需要一种水下运动灵活且可长时间巡航的水下探测装备，软体仿生机器人应运而生。软体仿生机器人常用硅胶、PDMS等柔性材料制成，具有良好的疏水性，可以包裹内部的电子器件并与水环境隔离。其次，软体机器人的运动自由度相较于传统的刚性机器人有了较大的提升，在水下复杂环境中可以提供更多的运动选择性。
鱼类作为海洋中最为常见、种类众多、游动性能良好的生物，其进化保留下的高效快速的游动能力得到了研究人员的青睐，大量的仿生机器鱼被研发用于模拟和探索鱼类优秀的游动性能。其中，仿生机器鱼结合软体智能材料，可以保证快速的游动性能并具有耐压防水的结构优势，成为了水下探测领域的新型实用装备。如何减少游动耗能，更高效地完成仿生机器鱼的游动控制，是现有技术所面临的挑战和难点。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种游动效率高、低耗能的软体机器鱼及其控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种软体机器鱼控制方法，包括：
通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；
根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；其中，所述摆动方程由水环境阻力与游动速度的函数、机器鱼的运动动能、机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，表征机器鱼位姿的广义坐标，以及表征机器鱼所受的驱动力和流体作用力的广义力共同确定；
通过中央模式发生器CPG调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，调整机器鱼的游动速度和游动方向。
进一步地：
所述摆动方程为：
其中，E k 为机器鱼的运动动能、W为机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，为广义坐标，/>为广义力，t为时间。
取机器鱼的3个串联关节的相对角位移为广义坐标，取机器鱼的关节驱动力矩和流体与鱼体的相互作用力/>为广义力。
机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性W为：
其中，G为剪切模量，机器鱼视为由有限的可拉伸的弹性单元连接组成，弹性单元视为长方体，其各边的伸长率表示为，定义为：
其中，为各边的初始长度，/>为各边的长度改变量，当伸长率/>时，弹性单元被拉伸，当伸长率/>时，弹性单元被压缩。
所述中央模式发生器CPG的控制网络的特征如下：
式中，，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i-1个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i+1个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表第i个神经元下一时刻的兴奋和抑制状态，/>代表第i个神经元的振荡频率，/>表示第i个振荡单元的最大振荡幅值；/>决定振荡器的收敛速度；/>是最近耦合的两个振荡器相位差，/>是最近耦合振荡器相位差的耦合系数。
机器鱼的内部采用三级舵机串联，所述CPG控制网络产生的控制信号作为所述三级舵机的输入，通过控制三级舵机的摆动驱动机器鱼游动。
所述传感器包括惯性测量单元IMU，其感知机器鱼游动时空间状态的3轴瞬时加速度和航向角。
机器鱼的外壳采用硬度小于50的硅胶材料。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时，实现所述的软体机器鱼控制方法。
一种软体机器鱼，包括机器鱼身体和处理器，所述处理器经配置以执行所述的软体机器鱼控制方法。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种软体机器鱼控制方法，通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；通过中央模式发生器CPG调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，根据本发明的方法，能够减少机器鱼摆动消耗的能量，提高游动效率，延长机器鱼的游动续航时间。本发明兼具低耗能和多场景定速巡航的优点。
本发明实施例还具有如下优点：
1.软体仿生机器鱼采用软体硅胶外壳，和3级串行舵机结构，游动灵活，仿生性强，且能有效减少游动耗能。
2.软体仿生机器鱼的外壳采用硬度小于50的硅胶浇筑，其外形设计为流线型，硅胶材料可以大幅提高外壳柔顺性，减少游动受到的阻力，提高机器鱼的仿生性。
3.机器鱼的外壳紧贴骨架，减少额外空间，尾部向沿身体中心线外侧摆动时，硅胶外壳受到应力产生拉伸形变，一部分动能转化为熵弹性储存在硅胶外壳中，当尾部达到摆动预设方程的最外侧时，释放力矩，利用硅胶外壳中储存的熵弹性摆动回到沿身体中心线的起始位置，可以有效减少游动耗能。
4.机器鱼控制方程采用基于Hopf的改进CPG控制方法，简化计算步骤，加强相邻关节耦合，可以更高效的完成机器鱼的实时闭环控制。
5.通过拉格朗日方程和能量守恒定律分析机器鱼运动状态，计算获得机器鱼在不同环境下的理论游速和舵机扭矩，产生相应控制信号输入舵机做出相应游动动作，收集传感数据调整控制信号参数完成闭环控制，实现在不同环境下的定速游动。
本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
附图说明
图1为本发明实施例的软体机器鱼控制方法的流程图。
图2是本发明实例中的机器鱼软体外壳制作模具示意图。
图3是本发明实例中硅胶单元的应力方向示意图。
图4是本发明实例中机器鱼低耗能游动控制信号示意图。
图5是本发明实例中机器鱼低耗能游动尾部摆动至角度最大位置示意图。
图6是本发明实例中机器鱼低耗能游动尾部摆动至身体中心线位置示意图。
图7是本发明实例中软体机器鱼高效定速游动的实现流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1，本发明实施例提供一种软体机器鱼控制方法，包括：
通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；
根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；其中，所述摆动方程由水环境阻力与游动速度的函数、机器鱼的运动动能、机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，表征机器鱼位姿的广义坐标，以及表征机器鱼所受的驱动力和流体作用力的广义力共同确定；
通过中央模式发生器CPG调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，调整机器鱼的游动速度和游动方向。
以下进一步描述本发明具体实施例。
机器鱼的外壳采用硬度小于50的硅胶材料浇筑支撑，保证机器鱼尾部摆动过程中，硅胶外壳可以发生应变并将能连以熵弹性的形式保存并释放。
机器鱼身体骨架由3级舵机固定在3D打印的关节串行连接构成，并搭载惯性测量单元IMU，能够实时获取机器鱼的三轴加速度和航向角。
本发明实施例的软体机器鱼控制方法中，测定软体机器鱼硅胶外壳应力与材料储能关系，构建机器鱼运动时形变与硅胶外壳储能函数；根据能量守恒方程，确定机器鱼的游动动能、硅胶外壳的熵弹性的能量转换关系；并由拉格朗日方程推导出水环境阻力与游动速度的函数，得到不同环境下机器鱼固定游速对应的摆动方程；通过惯性测量单元IMU传感反馈加速度和航向角，调整相应摆动参数，使机器鱼保持在相应的速度进行续航游动，并减少游动能耗。
机器鱼的控制方式采用中央模式发生器产生控制信号，可以通过调整控制方程的参数，改变机器鱼的游动速度和游动方向。
利用硅胶外壳可以储存并释放熵弹性的特点，建立机器鱼的动力学方程，推导机器鱼在不同环境下的理论游动速度，构建机器鱼的游动方程，并根据惯性测量单元的传感反馈数据调整参数完成机器鱼的闭环控制，实现定速巡航和节能游动。
一种兼具低耗能和多场景定速巡航的软体机器鱼控制方法，其具体的实现过程包含以下的步骤：
S1、利用3D打印制作机器鱼的外壳模具如图2所示，沿模具内壁注入硅胶并静置，待硅胶固化后取出鱼形外壳；测定软体机器鱼硅胶外壳应力与材料储能关系，构建机器鱼运动时形变与硅胶外壳储能函数；
其中鱼形硅胶外壳应力与材料储能关系表达为，机器鱼在鱼体摆动阶段，由机器鱼摆动产生的硅胶外壳形变，改变了硅胶内部的分子的熵弹性。
上述硅胶在不受外力作用时，未变形状态值最大。当硅胶受拉伸时，其分子在拉伸方向上以不同程度排列成行。为保持此定向排列需对其做工，因此硅胶是抵制受力伸张的。当外力除去时，硅胶将收缩回到熵值最大的状态。
故硅胶的弹性主要是源于体系中熵的变化的熵弹性，这种硅胶弹性将机器鱼摆动时的部分机械能，以熵弹性的形式储存在鱼形硅胶外壳中，因此可以构建鱼形硅胶外壳的在受力形变时的储能函数；
根据唯象理论中的Mooney-Rivlin理论可以分析硅胶的理论应力应变关系，并推算出其熵弹性的储能。鱼形硅胶外壳可以被视为一个具有弹性且可拉伸的不规则外壳，外壳由有限的硅胶单元连接组成，因此硅胶外壳可以通过有限元方法进行分析。
上述可拉伸的弹性单元可以视为一个如图3所示的长方体，其各边的伸长率表示为，定义为：
其中，为各边的初始长度，/>为各边的长度改变量。当伸长率/>时，可以认为弹性单元被拉伸，当伸长率/>时，可以认为弹性单元被压缩。
由于硅胶材料体积发生改变所受到的力远超发生形变时受到的力，当硅胶分子不发生断裂时，硅胶材料的体积被认为是不可压缩的，其约束方程为：
熵弹性可以表示为：
其中，G为剪切模量。在硅胶体积不变的条件下，应力和应变的关系建立在外力做功的能量转化为熵弹性储存在硅胶中，在应力撤去后恢复。单一应力作用被视为平行于应力的主轴方向，根据上述体积不变的约束方程，3个方向的应力不可以独立变化，若选择其中两个和/>变化，那么/>，应变储能函数表示为：
根据Mooney-Rivlin模型，材料的拉伸伸长曲线表达式为：
其中，为材料正定常数，/>为应力值，/>为各边的拉伸率。
S2、构建机器鱼的驱动方式和控制网络，使机器鱼能够按照既定控制方程完成游动；
机器鱼的内部采用三级舵机串联的3D打印骨架作为支撑，通过控制三级串行舵机的摆动驱动机器鱼游动。机器鱼的控制方程采用中央模式发生器（CentralPatternGenerator，CPG）控制网络，其特征如下：
式中，，/>分别代表第i个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i-1个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i+1个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表第i个神经元下一时刻的兴奋和抑制状态，/>代表第i个神经元的振荡频率，/>表示第i个振荡单元的最大振荡幅值；/>决定振荡器的收敛速度；/>是最近耦合的两个振荡器相位差，/>是最近耦合振荡器相位差的耦合系数；
利用中央模式发生器可以产生如图4所示的控制信号，将信号作为3级舵机的输入端，可以驱动机器鱼摆动并在水中游动。
S3、建立机器鱼运动的能量守恒方程，确定机器鱼的游动动能、硅胶外壳的熵弹性的能量转换关系；
根据上述鱼形硅胶外壳的熵弹性分析，当机器鱼尾部摆动时，机器鱼内部电池提供的电能一部分转化为机器鱼的运动动能，另一部分以熵弹性的形式储存在鱼形硅胶外壳中。
其中，表示电池提供的电能，/>表示机器鱼的运动动能，/>表示能量损失，/>表示储存在硅胶外壳中的熵弹性；
当机器鱼尾部到达最大摆动位置时如图5所示，停止摆动并释放力矩。机器鱼硅胶外壳由于材料分子特性将主动释放鱼形硅胶外壳中的熵弹性，机器鱼尾部将被动回到初始位置，完成摆动，如图6所示。
这样可以减少机器鱼摆动消耗的能量，提高游动效率，延长机器鱼的游动续航时间。
S4、由拉格朗日方程推导出水环境阻力与游动速度的函数，得到不同环境下机器鱼固定游速对应的摆动方程；
上述拉格朗日方程中，E k 为系统的动能，W为硅胶外壳的熵弹性，为广义坐标，/>为广义力。在本发明的一些实施例中，取3个身体关节的相对角位移为拉格朗日水动力分析方程的广义坐标，取关节驱动力矩/>和流体与鱼体的相互作用力/>为拉格朗日水动力分析方程的广义力。
S5、最终利用闭环控制原理，通过惯性测量单元IMU传感反馈加速度和航向角，调整相应摆动参数，使机器鱼保持在相应的速度进行续航游动，如图7所示。
上述IMU可以感知机器鱼游动时空间状态的3轴瞬时加速度和偏航角，将收集到的加速度和偏航角通过串口通信传递至机器鱼主控板计算，可以获得机器鱼游动速度和偏航角。相应的，调整CPG方程使机器鱼按照预设方位和速度游动，完成闭环控制。
综上所述，本发明提供的软体机器鱼控制方法，能够减少机器鱼摆动消耗的能量，提高游动效率，延长机器鱼的游动续航时间，兼具低耗能和多场景定速巡航的优点。
具体实施例还具有如下优点：
1.软体仿生机器鱼采用软体硅胶外壳，和3级串行舵机结构，游动灵活，仿生性强，且能有效减少游动耗能。
2.软体仿生机器鱼的外壳采用硬度小于50的硅胶浇筑，其外形设计为流线型，硅胶材料可以大幅提高外壳柔顺性，减少游动受到的阻力，提高机器鱼的仿生性。
3.机器鱼的外壳紧贴骨架，减少额外空间，尾部向沿身体中心线外侧摆动时，硅胶外壳受到应力产生拉伸形变，一部分动能转化为熵弹性储存在硅胶外壳中，当尾部达到摆动预设方程的最外侧时，释放力矩，利用硅胶外壳中储存的熵弹性摆动回到沿身体中心线的起始位置，可以有效减少游动耗能。
4.机器鱼控制方程采用基于Hopf的改进CPG控制方法，简化计算步骤，加强相邻关节耦合，可以更高效的完成机器鱼的实时闭环控制。
5.通过拉格朗日方程和能量守恒定律分析机器鱼运动状态，计算获得机器鱼在不同环境下的理论游速和舵机扭矩，产生相应控制信号输入舵机做出相应游动动作，收集传感数据调整控制信号参数完成闭环控制，实现在不同环境下的定速游动。
本发明实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被处理执行时至少执行如上所述的软体机器鱼控制方法。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (7)
1.一种软体机器鱼控制方法，其特征在于，包括：
通过传感器实时监测机器鱼游动时的速度、加速度和航向角；其中，所述传感器包括惯性测量单元IMU，其感知机器鱼游动时空间状态的3轴瞬时加速度和航向角；
根据摆动方程和实时监测的速度、加速度和航向角，确定出最优的摆动参数；其中，所述摆动方程由水环境阻力与游动速度的函数、机器鱼的运动动能、机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，表征机器鱼位姿的广义坐标，以及表征机器鱼所受的驱动力和流体作用力的广义力共同确定；
通过中央模式发生器CPG调节控制参数，控制机器鱼按照最优的摆动参数进行摆动，调整机器鱼的游动速度和游动方向；
其中，机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性W为：
；
其中，G为剪切模量，机器鱼视为由有限的可拉伸的弹性单元连接组成，弹性单元视为长方体，其各边的伸长率表示为，定义为：
；
其中，为各边的初始长度，/>为各边的长度改变量，当伸长率/>时，弹性单元被拉伸，当伸长率/>时，弹性单元被压缩；
其中，机器鱼的内部采用三级舵机串联，所述中央模式发生器CPG控制网络产生的控制信号作为所述三级舵机的输入，通过控制三级舵机的摆动驱动机器鱼游动。
2.如权利要求1所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，所述摆动方程为：
；
其中，E k 为机器鱼的运动动能、W为机器鱼外壳在受应力形变时的储存函数即熵弹性，为广义坐标，/>为广义力，t为时间。
3.如权利要求2所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，取机器鱼的3个串联关节的相对角位移为广义坐标，取机器鱼的关节驱动力矩和流体与鱼体的相互作用力/>为广义力。
4.如权利要求1至3任一项所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，所述中央模式发生器CPG的控制网络的特征如下：
；
式中，，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i-1个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表对应于机器鱼各个关节的第i+1个神经元当前的兴奋和抑制状态，/>，/>分别代表第i个神经元下一时刻的兴奋和抑制状态，/>代表第i个神经元的振荡频率，/>表示第i个振荡单元的最大振荡幅值；/>决定振荡器的收敛速度；/>是最近耦合的两个振荡器相位差，/>是最近耦合振荡器相位差的耦合系数。
5.如权利要求1至3任一项所述的软体机器鱼控制方法，其特征在于，机器鱼的外壳采用硅胶材料。
6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时，实现如权利要求1至5任一项所述的软体机器鱼控制方法。
7.一种软体机器鱼，包括机器鱼身体和处理器，其特征在于，所述处理器经配置以执行如权利要求1至5任一项所述的软体机器鱼控制方法。
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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