CN1484119A - 仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 - Google Patents
仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1484119A CN1484119A CNA021428360A CN02142836A CN1484119A CN 1484119 A CN1484119 A CN 1484119A CN A021428360 A CNA021428360 A CN A021428360A CN 02142836 A CN02142836 A CN 02142836A CN 1484119 A CN1484119 A CN 1484119A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- controlled variable
- fish
- fuzzy
- machine fish
- control
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 title claims abstract description 93
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000009182 swimming Effects 0.000 title claims description 35
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract 1
- 235000019688 fish Nutrition 0.000 description 90
- 230000006870 function Effects 0.000 description 15
- 241000932075 Priacanthus hamrur Species 0.000 description 6
- 230000036541 health Effects 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005021 gait Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法，包括步骤：计算偏差e和偏差变化率ec；将e和ec模糊化；确定控制量；给出精确控制量；精确控制量乘以比例因子，然后输出控制量。本发明将为仿生机器鱼系统实现精确游动控制，并实际应用在水下资源的勘测、水下救捞、水下设施的维护与巡检、海洋领土的防御等方面提供基本的技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器鱼运动方向控制方法。
背景技术
国际和国内研究机构在机器鱼方面研究的重点一般集中于仿鱼推进模式的水动力学模型和高效、高机动性机器鱼的开发，对仿生机器鱼所面临的复杂控制问题则相对研究较少，而仿生机器鱼的高精度游动控制则是仿生机器鱼完成很多复杂的水下作业、切实应用于实际工作中的最基本要求之一。2001年在韩国召开的IEEE ICRA国际会议上，Kristi A.Morgansen等人提出了一种仿鲹科鱼类的机器鱼简单模型的非线性控制方法，能够产生前向推力和调节步态。但是，该机器鱼模型只是一种根据鲹科鱼类的推进机理沿固定导轨运动的机械机构，同真正意义上的仿生机器鱼有较大差距。一个仿生机器鱼通常由多个关节构成其驱动部分，其游动控制与复杂的流体动力学问题密切相关，是一个非线性的、多变量的复杂控制对象。而在现有机器鱼运动水动力学研究的基础上还无法建立起机器鱼游动的复杂水动力学模型，因此无法依靠精确的水动力学模型进行仿生机器鱼的控制系统设计。即便可以得到机器鱼游动的精确水动力学模型，由于仿生机器鱼在水中的游动受到多种不确定扰动因素的影响，一般的常规控制方法和现代控制方法也很难保证其控制精度，或过于复杂、繁琐无法保证其实时游动的需要。所以，在满足机器鱼游动所需控制精度的基础上使用一种简单可靠的、实时性好的、能够在复杂扰动环境下工作的仿生机器鱼游动控制算法是保证仿生机器鱼在实际工作中得以应用的关键性技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种模糊控制方法，使仿生机器鱼的游动方向控制在只需实验结果和人的控制策略、经验的有效综合，无需被控对象的精确数学模型的情况下即可实现较为满意的控制精度。
为实现上述目的，仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法包括步骤：
计算偏差e和偏差变化率ec；
将e和ec模糊化；
确定控制量；
给出精确控制量；
精确控制量乘以比例因子，然后输出控制量。
本发明将为仿生机器鱼系统实现精确游动控制，并实际应用在水下资源的勘测、水下救捞、水下设施的维护与巡检、海洋领土的防御等方面提供基本的技术保障。
附图说明
图1是鱼体波波幅包络线
图2是一个通过4关节实现鱼体波曲线拟合的仿生机器鱼
图3是仿生机器鱼游动方向模糊控制器框图
图4是控制量U的隶属函数
图5是仿生机器鱼游动方向模糊控制算法的工作流程图
图6是仿生机器鱼沿直线游动时方向误差曲线
具体实施方式
鲹科鱼类游动时身体摆动实际上只限于尾部，属于波动推进方式，它们在游动时身体主干部分(前2/3身体部分)波幅很小，明显的波动主要集中在身体的后1/3处。推进波大于鱼的游动速度，并反向由鱼头向鱼尾在鱼体上传播，鱼体每一部分的横向振幅都不相同，并且在鱼鳍尾端达到最大值。鲹科鱼类的鱼体波曲线为鱼体波波幅包络线(如图1所示)和正弦曲线的合成：
ybody(x，t)＝(c1x+c2x2)[sin(kx+ωt)]其中，k：身体波波数，k＝2π/λ；λ：身体波波长；ω：身体波角频率，ω＝2πf；t：时间；c1，c2为鱼体波波幅包络线系数。
依据这种波动推进原理，可以通过拟合上式中的鱼体波曲线来设计多关节的仿生机器鱼，而本发明主要是针对仿鲹科鱼类、通过使用3-8关节拟合鱼体波曲线方式设计的仿生机器鱼的游动方向控制问题。图2给出一个四关节仿生机器鱼拟合鱼体波曲线的例子。仿生机器鱼按照鱼体波曲线进行运动时，在鱼体波的不同相位，关节拟合的位置不同则其角度也有所不同，所以，按照鱼体波曲线函数，计算出每一个相位上用于拟合鱼体波曲线的关节的角度，作为机器鱼游动的数据。仿生机器鱼各关节的角度控制可以通过电机直接驱动或通过钢丝绳、拉杆等传动元件带动的方式实现。仿生机器鱼通过多个关节的协调运动实现在水中的自由游动。
仿生机器鱼运动时的方向控制主要是通过控制其转弯来进行调整的。通常，机器鱼具有三种基本的转弯模式。(1)前进中转弯，即机器鱼在保持持续推进时进行转弯。(2)惯性前进转弯，即机器鱼在直线游动并获得动能的基础上突然停止，而后靠惯性力前进，同时机器鱼把身体处于全弯的位置，靠水动力学的作用力转弯。(3)静止转弯，即机器鱼在没有前进速度的情况下，从静止状态快速摆动它的尾部进行转弯。
由于还没有合适的数学模型、水动力学模型来描述鱼类的转弯过程，许多问题还不清楚，所以，我们暂时还不能依靠通过建立机器鱼转弯数学模型的办法来进行转弯控制。根据仿生机器鱼转弯模式的说明和实验获得的经验知识，本发明主要是对仿生机器鱼游动中和仅靠惯性力作用运动时的游动方向控制使用本发明提出的机器鱼游动方向模糊控制器。本发明所提游动方向控制方案不包含转弯模式(3)，即处在完全静止状态时机器鱼方向调整控制。
依据波动推进理论和实验经验确定对仿生机器鱼游动方向起重要作用的仿生机器鱼驱动关节为从鱼尾向鱼头数，第一个和第二个驱动关节(例如，图2中所示的4关节仿生机器鱼，其关节3和关节4，即从鱼尾数的第二关节和第一关节，在游动方向控制中起重要作用)，且在方向控制中此两关节具有相同的模糊控制规律，所以本发明设计了一个双变量输入双变量输出的机器鱼游动方向模糊控制器。依据仿生机器鱼游动方向误差及误差变化率和模糊控制规则进行模糊推理，并计算出一个关节的控制量，然后用这一控制量乘以比例因子对两个驱动关节的转角进行控制。模糊控制器结构如图3所示，其中r为设定的仿生机器鱼游动方向；y为通过传感器实际获得的仿生机器鱼游动方向；e为游动方向偏差，在k时刻e(k)＝y(k)-r；ec为偏差变化率，在k时刻ec(k)＝y(k)-y(k-1)；k1、k2为量化因子；k3、k4为比例因子；E、EC为模糊化后的e、ec；α1为调节因子，依据实际情况确定；U为由模糊规则获得的模糊控制量；u为U解模糊后的控制量；u1、u2为乘以相应比例因子后的实际输出的控制量。
1、输入变量的模糊化、量化等级和隶属函数
仿生机器鱼游动方向偏差e，偏差范围定为[-|emax|，|emax|]，规定向右偏为正，向左偏为负；量化因子定为k1＝6/|emax|；将e量化为论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值，并按一定隶属度关系使该值与模糊变量E的7个语言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相对应，隶属函数如下表1(该隶属函数可在实际控制时修正)：
表1仿生机器鱼游动方向偏差E的隶属函数
仿生机器鱼游动方向偏差变化率ec，偏差范围定为[-|ecmax|，|ecmax|]，规定向右偏为正，向左偏为负；量化因子定为k2＝6/|ecmax|；将ec量化为论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值，并按一定隶属度关系使该值与模糊变量EC的7个语言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相对应，隶属函数如下表2(该隶属函数可在实际控制时修正)：
表2仿生机器鱼游动方向偏差变化率EC的隶属函数
2、输出变量的解模糊、量化等级和隶属函数
u为用于仿生机器鱼方向控制的关节的转动角度，其范围为[-|umax|，|umax|]；比例因子定为k3＝|umax|/6，在最终控制量输出时使用；将控制量u的论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值按一定隶属度关系与模糊变量U的7个语言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相对应，其(该隶属函数可在实际控制时修正)。隶属函数为图4所示的三角形函数
3、模糊控制规则和模糊控制查询表
总结模糊控制经验可得下面的模糊控制规则表(表3)：
表3模糊控制规则表
4、非模糊化
非模糊化即清晰化，采用加权平均判决法将模糊控制量转为对应的精确控制量。
5、模糊控制表
依据上述表1、2、3和图4中的各输入变量、控制量的隶属函数和及其相互间的模糊控制规则，模糊推理可以确定如下模糊控制量查询表表4：
表4控制量查询表
在给定e和ec量化后的论域值的基础上，查询表4可获得相应的模糊控制的精确控制量，该量值乘以比例因子后作为最终控制量输出。当各输入变量、控制量的隶属函数或其相互间的模糊控制规则发生变化时，应重新计算并确定控制量查询表。
6、仿生机器鱼游动方向控制的实现
将依据模糊控制规则表建立的游动方向模糊控制查询表预先存储在仿生机器鱼内部存储器上，在实际控制中将实时采集到的方向偏差和偏差变化率模糊化，通过查询模糊控制查询表获得所需控制量并进行相应的变换后输出控制量实现游动方向模糊控制。模糊控制算法的具体工作流程见图5。
实施例1：
本仿生机器鱼游动方向模糊控制方法应用于一个仿鲹科鱼类的四关节仿生机器鱼的控制中，机器鱼长0.5米，各关节由步进电机直接驱动。游动方向模糊控制算法运行在仿生机器鱼内部的微控器上。通过微控器控制一块CPLD，由CPLD调制产生PWM信号，控制舵机的角度，从而实现各关节角度的控制。模糊控制器的输入变量游动方向角度偏差e，实际的角度偏差范围定为[-20度，20度]，规定向右偏为正，向左偏为负；偏差变化率ec，范围为[-40，40]。u采用与关节转动角度一一对应的步进电机的CPLD脉宽调制值，其范围为[-240，240]；量化因子k1＝6/20，k2＝6/40；比例因子k3＝k4＝240/6；采用本发明所给出的模糊控制规则和相应查询表进行模糊推理和控制。采用此模糊控制算法后，仿生机器鱼很好地解决了无障碍水面中沿直线从一点游动到另一点时的方向控制问题，其游动方向误差曲线如图6所示。
Claims (5)
1.一种仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法，包括步骤：
计算偏差e和偏差变化率ec；
将e和ec模糊化；
确定控制量；
给出精确控制量；
精确控制量乘以比例因子，然后输出控制量。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述控制量根据控制量查询表获得。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述精确控制量依据平均加权法获得。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述所述控制量为一个关节的控制量。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于所述所述的一个关节的控制量乘以比例因子对两个驱动关节的转角进行控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA021428360A CN1484119A (zh) | 2002-09-18 | 2002-09-18 | 仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA021428360A CN1484119A (zh) | 2002-09-18 | 2002-09-18 | 仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1484119A true CN1484119A (zh) | 2004-03-24 |
Family
ID=34148121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA021428360A Pending CN1484119A (zh) | 2002-09-18 | 2002-09-18 | 仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1484119A (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1801248B (zh) * | 2004-12-30 | 2010-10-06 | 中国科学院自动化研究所 | 一种仿生机器鱼尾部运动机构设计与控制方法 |
| CN101776863B (zh) * | 2009-11-17 | 2011-07-27 | 中国科学院自动化研究所 | 一种胸鳍推进型机器鱼的运动控制方法 |
| CN102320223A (zh) * | 2011-05-10 | 2012-01-18 | 中国科学院自动化研究所 | 基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置 |
| CN103913990A (zh) * | 2014-02-14 | 2014-07-09 | 湖北汽车工业学院 | 基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统 |
| CN105022269A (zh) * | 2015-07-13 | 2015-11-04 | 北京航空航天大学 | 仿生机器鱼关节的控制方法及装置 |
| CN107390530A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-11-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 |
| CN107479373A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-12-15 | 河海大学 | 利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼c形转弯的方法 |
| CN107505838A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-12-22 | 河海大学 | 一种精确控制机器鱼c形转弯运动的方法 |
| CN107783419A (zh) * | 2017-07-12 | 2018-03-09 | 河海大学 | 一种精确控制机器鱼关节运动的方法 |
-
2002
- 2002-09-18 CN CNA021428360A patent/CN1484119A/zh active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1801248B (zh) * | 2004-12-30 | 2010-10-06 | 中国科学院自动化研究所 | 一种仿生机器鱼尾部运动机构设计与控制方法 |
| CN101776863B (zh) * | 2009-11-17 | 2011-07-27 | 中国科学院自动化研究所 | 一种胸鳍推进型机器鱼的运动控制方法 |
| CN102320223A (zh) * | 2011-05-10 | 2012-01-18 | 中国科学院自动化研究所 | 基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置 |
| CN102320223B (zh) * | 2011-05-10 | 2013-05-08 | 中国科学院自动化研究所 | 基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置 |
| CN103913990B (zh) * | 2014-02-14 | 2016-08-17 | 湖北汽车工业学院 | 基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统 |
| CN103913990A (zh) * | 2014-02-14 | 2014-07-09 | 湖北汽车工业学院 | 基于状态机的温度模糊控制方法及其控制系统 |
| CN105022269A (zh) * | 2015-07-13 | 2015-11-04 | 北京航空航天大学 | 仿生机器鱼关节的控制方法及装置 |
| CN105022269B (zh) * | 2015-07-13 | 2017-08-25 | 北京航空航天大学 | 仿生机器鱼关节的控制方法及装置 |
| CN107479373A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-12-15 | 河海大学 | 利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼c形转弯的方法 |
| CN107505838A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-12-22 | 河海大学 | 一种精确控制机器鱼c形转弯运动的方法 |
| CN107783419A (zh) * | 2017-07-12 | 2018-03-09 | 河海大学 | 一种精确控制机器鱼关节运动的方法 |
| CN107783419B (zh) * | 2017-07-12 | 2019-08-06 | 河海大学 | 一种精确控制机器鱼关节运动的方法 |
| CN107479373B (zh) * | 2017-07-12 | 2019-08-06 | 河海大学 | 利用角速度反馈的模糊控制算法控制机器鱼c形转弯的方法 |
| CN107505838B (zh) * | 2017-07-12 | 2019-08-06 | 河海大学 | 一种精确控制机器鱼c形转弯运动的方法 |
| CN107390530A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-11-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1484119A (zh) | 仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 | |
| CN110286592B (zh) | 一种基于bp神经网络的机器鱼多模态运动方法及系统 | |
| CN109669345B (zh) | 基于eso的水下机器人模糊pid运动控制方法 | |
| CN1718378A (zh) | 浮游式水下机器人运动的s面控制方法 | |
| CN112171677B (zh) | 基于lstm迟滞模型的机器人柔性关节补偿控制方法 | |
| CN107315348B (zh) | 一种基于惩罚式小波网络的无人潜航器位姿控制方法 | |
| DE69632823T2 (de) | Getauchter körper unf verfahren zum regeln der tauchposition desselben | |
| CN117170251B (zh) | 一种基于cpg相位振荡器的间歇性驱动控制方法及其装置 | |
| Chen et al. | Learning control for biomimetic undulating fins: An experimental study | |
| CN114063442B (zh) | 一种基于神经网络船舶拖曳作业pid航向控制方法 | |
| CN113485390B (zh) | 一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统 | |
| CN112141303B (zh) | 水下机器人攀爬模态下的防滑调头控制方法及水下机器人 | |
| Chen et al. | Research on anti-interference of ROV based on particle swarm optimization fuzzy PID | |
| Ingvast et al. | The PVT, an elastic conservative transmission | |
| CN113759713B (zh) | 忆阻模型与神经网络混合的谐波减速器误差补偿控制方法 | |
| Wang et al. | Model Predictive Trajectory Tracking Control of an Underactuated Bionic Underwater Vehicle | |
| Kang et al. | The self-tuning neural speed regulator applied to DC servo motor | |
| CN115755938A (zh) | 一种基于非对称模糊s面的仿蝠鲼航行器深度控制方法 | |
| CN114249238B (zh) | 一种桥式吊车的防摆控制方法 | |
| Feng et al. | Construction of central pattern generator for quadruped locomotion control | |
| Colak et al. | Artificial neural networks controller algorithm developed for a Brushless DC Motor | |
| Wong et al. | Neural network control strategies for low specification servo actuators | |
| Li et al. | Mechanism design and drive control of bionic robotic fish based on DEAP material | |
| Du et al. | A Fuzzy Neural Network Control Strategy for Ship Maneuvering Motion | |
| Ding et al. | Trajectory Tracking Control Strategy Based on WOA-MPC for ROV in 3D Space |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |