[发明专利]一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法

权利要求书

1.本发明的一种胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的实现方法，包括以下几个步骤：

步骤1、建立快速俯仰运动学模型

通过采集胸鳍拍动式鱼类牛鼻鲼快速爬升姿态过程的视频信息，选取牛鼻鲼胸鳍和尾部边缘数据点，生成边缘数据点的位置信息，定义相对坐标系OXYZ，坐标原点O为头部右侧边缘线与右侧胸鳍边缘线的交点；X轴沿胸鳍展向方向，即躯干宽度方向；Y轴沿胸鳍弦向方向，即躯干长度方向；Z轴方向由右手定则确定，垂直于鱼体躯干平面；从数据点中选取典型特征点胸鳍前缘中点P₁、胸鳍前后缘交叉点P₂、胸鳍后缘中点P₃、尾鳍顶端点T₇，得到这四个点的坐标随时间的变化关系，其中Z轴坐标以点P₂拍动的最大振幅max A为单位，下标a、b、c分别对应各点运动周期中的起始点、中间点、终止点；

s_i＝Ａ′_i+A_isin(2πv_it+φ_i0)                       (1)

vi=vi_up,ifs·i≥0vi=vi_down,ifs·i<0---(2)]]>

Ai_max=Ai′+AiAi_min=Ai′-Ai---(3)]]>

Δφ_ij0＝φ_j0-φ_i0             (4)

其中s_i、A'_i、A_i、v_i、t、φ_i0分别表示第i个边缘点对应的Z向位移、振幅偏置、振幅、频率、时间、初始相位；v_{i_up}、v_{i_down}表示向上拍动频率、向下拍动频率；A_{i_max}、A_{i_min}表示振幅最大值即正振幅、最小值即；Δφ_ij0表示第j边缘点与第i个边缘点之间的初始相位差；

鱼体快速爬升运动学模型参数具体如下，胸鳍上拍的时间为下拍的0.8/0.43倍，上拍的频率v_{2_up}是下拍频率v_{2_down}的0.43/0.8倍，约为0.5倍；尾部上拍频率v_{7_up}为下拍频率v_{7_down}的0.27/0.53倍，约为2倍；尾部T₇在胸鳍P₁点开始下拍时刻从Z坐标0处开始上拍，在P₁下拍到最大值时刻达到最大振幅值，即T₇与P₁之间相位差Δφ₁₇₀约180°；胸鳍正振幅A_{2_max}为负振幅A_{2_min}的0.54/1倍，尾部正振幅A_{7_max}为0.29 max A，负振幅A_{7_min}约为0；胸鳍边缘点P₁、P₂、P₃之间的相位差Δφ_ij0约为30°至45°；

步骤2、建立具有时间、空间非对称特征的相位振荡器模型

建立振荡器模型如下：

r··i=ai(ai4(Ri-ri)-r·i)---(6)]]>

x··i=bi(bi4(Xi-xi)-x·i)---(7)]]>

θ_i＝x_i+r_isin(φ_i)                     (8)

θ_i＝X_i+R_isin(2πv_it+φ₀)                        (9)

αi=Ri+Xi2Ri=0.5+Xi2Ri---(12)]]>

vi=vi_up,ifθ·1≥0vi=vi_down,ifθ·1<0---(13)]]>

υi_down=12βiTi---(14)]]>

υi_up=12(1-βi)Ti---(15)]]>

υi=(υi up-υi down)11+e-kθ·1+υi down=[2βi-12βi(1-βi)(1+e-kθ·1)+12βi]1Ti---(16)]]>

其中参数i表示CPG单元序号，取值为1～7，φ_i，r_i，x_i，θ_i分别表示相位、振幅、偏置和输出，公式(5)、(6)、(7)、(8)分别为相位方程、振幅方程、偏置方程和输出方程；相位方程主要控制各连接单元间的相位关系，其中，ν_i、ω_ij、分别表示频率、i单元与j单元间的连接权重、期望相位差，当连接权重值越大时，表示j单元对i单元的相位影响越显著；振幅方程中，R_i表示期望振幅，a_i为正值常数，当a_i值越大时，r_i趋近于R_i速度越快，光滑度降低；偏置方程与振幅方程具有一样的数学表达形式，X_i为期望偏置，b_i为正值常数，主要用于控制机器鱼的空间非对称拍动；输出方程中θ_i作为单个运动关节舵机的角度输入；

CPG振荡器的极限环如公式(9)所示，φ₀为初始相位，此时相位与期望相位差存在如公式(10)所示的关系，由此关系推出CPG网络结构中任意两个单元间的连接关系；由于相位振荡器模型具有振幅独立控制的特性，因此单元间的相互连接关系表现为相位关系，如CPG单元2与5的关系如公式(11)所示；

公示(12)为空间非对称表述方程，其中α_i为空间非对称系数，表示驱动单元输出最大值与整个下拍或上拍行程的比值；当α_i为1/2时，表示空间对称拍动；当α_i为2/3时，θ_i正向振幅是负向振幅的2倍；当α_i为1/3时，θ_i负向振幅是正向振幅的2倍；

公示(13)为时间非对称表述方程，以CPG单元1的输出斜率作为判断胸鳍上拍、下拍的依据；为正时，表示胸鳍上拍，频率ν_i为上拍频率ν_{i_up}；为负时，表示胸鳍下拍，频率ν_i为下拍频率ν_{i_down}；

公示(14)、(15)引入时间非对称系数β_i，表示上拍行程所用时间与整个上下拍运动周期的比值，取值为(0,1)，T_i为拍动周期；β_i为0.5时，表示时间对称拍动；β_i为2/3时，表示上拍时间是下拍时间的2倍，即上拍频率是下拍频率的1/2倍；β_i为1/3时，表示上拍时间是下拍时间的1/2倍，即上拍频率是下拍频率的2倍；

公示(16)为频率连续性过渡方程，通过指数函数避免频率ν_{i_up}与ν_{i_down}之间切换时的跳跃，使之连续光滑，k为常数，用于控制频率过渡的快慢程度；

公示(17)为CPG振荡器模型的最终表述形式，包含频率方程、相位方程、振幅方程、偏置方程和输出方程，实现胸鳍拍动式机器鱼8个驱动舵机输出角度的振幅、频率、相位差、空间非对称特征和时间非对称特征的可控性；

步骤3.建立CPG控制网络结构

根据机器鱼8个运动关节间的相互关系特性，确定最简化CPG网络结构，包括7个CPG单元，单元1、2、3为右侧胸鳍控制单元、单元4、5、6为左侧胸鳍控制单元、单元7为尾部控制单元；以单元1作为主控单元，负责右侧胸鳍单元间的通信，并与左侧胸鳍、尾部通信；单元4作为左侧胸鳍的主控单元；

CPG网络结构参数：

0ω120ω1400ω17ω210ω2300000ω3200000ω41000ω4500000ω540ω5600000ω6500ω71000000=0202002202000002000002000200000202000002004000000---(18)]]>

[T₁ T₂ … T₇]^T＝T∈[1.25，2.5]                  (20)

[R₁ R₂ … R₇]^T＝[1.5R 2R 3R 1.5R 2R 3R 4R]^T                  (21)

[β₁ β₂ … β₇]^T＝[β β β β β β1-β]^T            (22)

[α₁ α₂ … α₇]^T＝[α α α α α α2-3α]          (23)

CPG网络结构连接权重矩阵如公式(18)所示，网络权重值设为2，将ω₉₁单独设为4，相位差矩阵如公式(19)所示，设定如下：单侧胸鳍CPG单元间的相位差约为30°，即单元1比2相位超前30°，单元2比3相位超前30°；左右侧胸鳍CPG单元1和4同步拍动；单元7相位滞后单元1相位为180°，即尾部运动与胸鳍运动反向；

所有CPG单元周期设定为同一值T∈[1.25，2.5]，即频率为0.4至0.8Hz范围内；所有CPG单元幅度设定如公式(21)所示；参数T和R决定俯仰运动的速度；

CPG单元1～6的时间非对称系数设定为β，单元7为1-β，保证胸鳍上拍频率与尾部下拍频率相等，胸鳍下拍频率与尾部上拍频率相等；

CPG单元1～6的空间非对称系数设定为α，单元7的空间非对称系数由快速俯仰运动学数据归纳总结为2-3α；

胸鳍拍动式机器鱼快速大俯仰角变化运动的方向、加速度主要由时间非对称系数β、空间非对称系数α决定；当β大于0.5且α小于0.5时，实现快速爬升运动；当β小于0.5且α大于0.5时，实现快速下沉运动；

步骤4、建立快速俯仰运动控制系统

高级控制中心根据陀螺仪、加速度计、深度计、红外传感器反馈的信息决策出期望俯仰角；模糊控制器根据期望俯仰角与从陀螺仪反馈回的实际俯仰角信息，生成CPG控制参数T、R、β、α；这些参数经过CPG网络的迭代计算，生成机器鱼各运动组件舵机的脉冲信号，从而实现机器鱼快速俯仰运动的控制。