[发明专利]仿生机器鱼运动的CPG反馈控制方法

说明书

技术领域

本发明属于仿生学技术领域，涉及基于不同反馈信号接收部位的仿生机器鱼运动的CPG反馈控制方法。

背景技术

中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)是一类存在于在无脊椎动物和脊椎动物的中枢神经系统中的神经元电路。它能在没有节律性的控制或反馈输入情况下产生有节律的行为，例如行走、游泳、飞翔、呼吸和咀嚼等。仿生机器人要实现自主运动，必须引入环境信息及机器人本体状态，但是机器人CPG模型多数由非线性微分方程构成，这造成了反馈控制实现难的问题。虽然基于CPG的机器人运动反馈控制受到了越来越多的关注，但多数研究尚处于起步阶段，没有明确给出CPG反馈控制方法的具体实施方案。

发明内容

本发明的目的是针对仿生机器鱼的游动控制，给出一种基于不同反馈信号接收部位的易于实现的CPG反馈控制模型；结合动物运动分层控制概念，首先给出CPG反馈控制结构，然后针对高层控制模块、CPG、运动神经元等不同部位接收反馈信息建立了相应的反馈控制模型，提出一种基于不同反馈接收部位的仿生机器鱼运动的中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)反馈控制方法，以解决仿生机器鱼的自主游动控制问题。

为达到上述目的，本发明提出基于不同反馈接收部位的仿生机器鱼运动的CPG反馈控制方法的步骤如下，基于仿生机器鱼不同反馈接收部位，针对高层控制模块、中枢模式发生器、仿生机器鱼的运动神经元建立相应的中枢模式发生器反馈控制模型，高层控制模块接收仿生机器鱼本体状态信息和水域环境信息，对仿生机器鱼本体状态信息和水域环境信息进行处理和智能决策并发出相应的控制命令，选择仿生机器鱼的运动模板，进而确定中枢模式发生器构型，控制仿生机器鱼身体各部分进行节律运动或非节律运动，从而实现仿生机器鱼机动、灵活的自主游动。

其中，所述高层控制模块接收反馈信号时，对于单纯接收速度反馈信息的仿生机器鱼系统采用PID控制方法；针对接收仿生机器鱼的目标物距离信息采用模糊决策控制方法。

其中，所述中枢模式发生器接收反馈信号时，针对中枢模式发生器内部和中枢模式发生器输出的速度反馈信息分别采用中枢模式发生器反馈控制模型。

其中，所述运动神经元根据接收到的不同部位的反馈信号选择相应的反馈控制模型。

其中，所述高层控制模块接收水域环境信息、仿生机器鱼本体运动状态信息，对所述信息及运动状态进行处理，并作出智能决策，发出相应的控制命令，选择仿生机器鱼的运动模板，从而控制中枢模式发生器模型的构型和参数，实现仿生机器鱼的游动控制。

其中，所述CPG反馈控制方法，还包括运动模板与特征模块选择仿生机器鱼的基本状态，基本状态包含前进、后退、左转弯、右转弯、上浮、下潜、加速、减速、起动、停止、滑行状态。

其中，所述中枢模式发生器模块针对相应的运动状态匹配不同的中枢模式发生器构型，主要包含两种构型：胸鳍型弱耦合构型和滑块型弱耦合构型；在确定构型后选择不同的推进控制面为身体-尾鳍型推进、尾鳍型推进、胸鳍型推进、或者它们之间的任意组合。

其中，所述仿生机器鱼本体信息的传感器选择了摄像模块、红外传感器、惯性测量单元、触觉传感器、压力传感器、弯曲度传感器。

本发明的有益效果：

本发明所提出的基于不同反馈接收部位的仿生机器鱼运动的CPG反馈控制方法对具有多关节或多自由度的仿生机器鱼反馈控制有良好的适用性，本发明的方法结合动物运动控制机理，提出了在高层控制模块、CPG、运动神经元等不同部位接收反馈信息的CPG反馈控制方法。利用该CPG反馈控制模型，能够实现仿生机器鱼机动、灵活的自主游动控制。

附图说明

图1仿生机器鱼的CPG反馈控制结构示意图；

图2图1中仿生机器鱼的控制硬件框图；

图3图2中核心扩展板控制软件框图；

图4人或动物运动系统组构略图；

图5高层控制模块接收反馈信息控制框图；

图6高层控制模块接收反馈信息PID控制框图；

图7高层控制模块接收反馈信息模糊控制框图；

图8a-图8d不同CPG模块的构型；

图9a-图9f仿生机器鱼前行状态对应的CPG模块的构型；

图10CPG模块内部耦合传感器信号控制框图；

图11CPG模块输出耦合传感器信号控制框图；

图12CPG模块输出叠加传感器信号控制框图。

具体实施方式