[发明专利]一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法

说明书

本发明公开了一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法，包括设计用以控制仿生机器鱼的上浮和下潜的浮潜机构；对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析，然后调节配重滑块偏离平衡位置，使仿生机器鱼开始下潜状态，对处于下潜状态的仿生机器鱼做受力分析，得到仿生机器鱼的实时深度控制方程。本发明利用重心的偏移，改变仿生机器鱼鱼头的俯仰角，从而完成上浮和下潜运动，简化了机构设计结构，且没有深度的限制。本发明建立了仿生机器鱼的升潜模型，得出了深度控制方程，并根据该控制方程建立了一套使机器鱼在上升下潜运动中可以在指定时间到达指定位置的方法，使仿生机器鱼能够具备上浮、下潜以及深度保持功能。

技术领域

本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法。

背景技术

现在仿生机器鱼常用的浮潜方法有：胸鳍法、形状改变法、储水仓法。胸鳍法是利用胸鳍的摆动，改变流体推力的方向，从而实现上浮和下潜；形状改变法是改变仿生机器鱼自身的体积，从而改变浮力的大小，完成上浮和下潜运动；储水仓法是改变仿生机器鱼的自重，从而完成上浮和下潜运动；其中胸鳍法不能从功能上完全的对鱼类进行仿生，实时性较差缺乏机动性；形状改变法机构设计复杂，设计难度较大；储水仓法需要占据较大的空间，当到达一定的深度时吸水放水存在限制。

然而仿生机器鱼必须具备水下三维运动能力，必须下潜或者上浮到某一深度到达目标区域完成任务，或者完成仿生机器鱼的避障，因此需要仿生机器鱼能够具备上浮、下潜以及深度保持功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种利用重心的偏移，改变仿生机器鱼鱼头的俯仰角，从而完成上浮和下潜运动的深度控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法，包括以下步骤：

第一步，设计用以控制仿生机器鱼的上浮和下潜的浮潜机构；所述浮潜机构包括配重滑块、丝杆、电机、编码器和控制板，所述丝杆沿仿生智能机器鱼鱼身长度方向设置，配重滑块设置在丝杆上且与丝杆螺纹连接，丝杆固定在电机转轴的输出端上，丝杆上固定连接编码器，电机正反转动带动配重滑块在丝杆上来回滑动，电机和编码器均与控制板电性连接；

具体工作过程为：电机转动带动丝杆转动，配重滑块移动，碰到限位开关后，电机停止供电，仿生机器鱼上浮或下潜，电机再接受反转指令，配重滑块回移到初始中间位置，保持平衡；编码器与电机转轴一体转动，编码器每转过单位的角度，编码器就会获得一个脉冲信号，对其细分，计算出码盘转动角度，从而计算出重力块移动距离，以得到下潜角度，使其在上升下潜运动中可以在指定时间到达指定位置。

第二步，调节浮潜机构的配重滑块，使仿生机器鱼在水中处于悬浮状态，以仿生机器鱼的重心为原点建立坐标系，首先对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析，然后调节配重滑块偏离平衡位置，使机器鱼整体重心发生偏移，使仿生机器鱼开始下潜状态，当仿生机器鱼处于稳定的下潜状态时，对处于该下潜状态的仿生机器鱼做受力分析，得到机器鱼的深度控制与其当前速度以及配重块移动的距离有关，并推导得到仿生机器鱼的实时深度控制方程为：

其中：v(t)是t时刻仿生机器鱼的速度，h₀为仿生机器鱼的初始深度，l(t)为t时刻配重滑块移动的距离，m₁为配重滑块的重量，m₂为除配重滑块外鱼体的重量，d为整体重心与浮心之间的距离，M为仿生机器鱼的总重，M＝m₁+m₂，L₁为配重滑块重心距离整体重心的距离，L₂为除配重滑块外鱼体的重心距离整体重心的距离；