[发明专利]二自由度仿生机器鱼携带目标的控制方法

权利要求书

1.一种二自由度仿生机器鱼携带目标的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、以二自由度仿生机器鱼鱼体质心为坐标原点，以二自由度仿生机器鱼鱼体正方向为极轴正方向建立极坐标系，确定平面极坐标运动方程；

θ·=-ω+υ·sinθ/ρρ·=-υ·cosθ---(1)]]>

式中，(ρ,θ)为目标点的坐标，υ为二自由度仿生机器鱼质心的线速度大小，ω为二自由度仿生机器鱼绕质心角速度大小；

步骤二、以目标中心O为极点，以由携带目标的终点Destination指向O的方向为极轴，建立极坐标系；计算二自由度仿生机器鱼鱼头坐标H(ρ_H,α_H)，体心坐标B(ρ_B,α_B)，O到Destination得距离D_OD，以及体轴方向角α_F；所有角度都转换到(-π,π]区间内；

步骤三、构建力学模型，根据平面极坐标运动学方程，得

d|αF|dt=ωo-vsin|αF|DOD---(2)]]>

式中，ω_o＝ω×sign(α_F)，ω为二自由度仿生机器鱼的角速度；

步骤四、将二自由度仿生机器鱼鱼头的速度做矢量分解：

vr=vcosαcrio+ω0Dhbsinαcriovt=vsinαcrio-ω0Dhbcosαcrio---(3)]]>

式中，v_r为二自由度仿生机器鱼鱼头的速度指向O的法向速度分量，v_t为二自由度仿生机器鱼鱼头的法向速度分量，α_crio＝α_cri×sign(α_F)；

在二自由度仿生机器鱼鱼头相对目标没有滑移的情况下，令圆形目标上的接触点受到鱼头的静摩擦力F_f，F_f与v_r、v_t正相关，并且与v_t同向，因此得到：F_f∝v_r,F_f∝v_t，即：

Ff=μvrvt=μ[v2-ωo2Dhb22sin(2αcrio)-vωoDhbcos(2αcrio)]---(4)]]>

经过实物测试，ω_maxD_hb≈0.1v_max，ω_max²D_hb²≈0.01v_max²，忽略ω_max²D_hb²项，得：

Ff=μvrvt=μ[v22sin(2αcrio)-vωoDhbcos(2αcrio)]---(5)]]>

式中，μ为水介质下的摩擦系数，μ>0；

接触点受到相对O的力矩：

M_Touch＝F_fR             (6)

式中，R为圆形目标的半径；

根据运动学方程，α_H绝对值得变化速率：

d|αH|dt=-MTouchIO=-FfRIO---(7)]]>

式中，I_O为目标绕O点的转动惯量；

步骤五、生成控制方法，二自由度仿生机器鱼携带目标理想的状态是α_H＝0,α_F＝π，为了尽可能的让二自由度仿生机器鱼向理想状态靠拢，当|α_H|≥π/2或者二自由度仿生机器鱼鱼头未触及目标时，令二自由度仿生机器鱼游向Rear点，尽快进入携带目标状态；

进入携带目标状态后，保证与为了保证运动和进入理想状态的快速性，根据实验选取最优值，取：

v1=0.95ωoDODsin|αF|,v2=max{v1,0},vout=min{v2,vmax};---(8)]]>

同时，还要保证

①如果0≤|α_crio|<π/4，得为了尽量消除转角运动的震荡，保证运动的稳定性，根据实验选取最优值，取：

ωo1=0.95v2Dhbtan(2αcrio),ωo2=max{ωo1,-ωmax},ωo=min{ωo2,ωmax};---(9)]]>

②如果π/4≤|α_crio|≤π/2，取ω₀＝ω_max；

ω_out＝ω_o×sign(α_F)            (10)

将(v_out,ω_out)作为二自由度仿生机器鱼当前目标状态进行控制。