[发明专利]一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统

说明书

本发明公开了一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统，根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号，规划控制系统整体性能指标；基于控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；按照控制系统设计需求和所要实现的功能进行组合，设计硬件系统的各模块电路结构；在硬件系统的基础上，进行相应的软件系统设计，编写运动控制程序，控制输出信号的波形、频率、幅值、相位差等参数，完成整个控制系统的设计。本发明能够产生驱动多通道IPMC双向摆动时所需的、具有高输出电流的双极性正弦波和方波,且其频率、幅值和相位差可调,同时还具有多通道分时控制功能，能满足控制IPMC驱动的仿生波动鳍的运动需求。

技术领域

本发明属于水下仿生机器人技术领域，具体涉及一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统。

背景技术

鱼类经过亿万年的进化，演化出非凡的运动本领，至今，人造航行器难以达到鱼类的游动效率。从鱼类推进方式得到启示，水下仿生推进机器人逐渐受到研究者关注，研究者试图通过模拟鱼类运动机制以提高水下航行器综合性能。然而传统仿鱼类机器人多采用刚性电机串联的驱动方式，使得在模拟鱼类运动方面只能做到“形似”，其推进效率远远低于真实鱼类。

近年来随着形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)、离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Mental Composite,IPMC)、压电陶瓷(Principle of lead ZirconateTitanate,PZT)等智能材料的不断发展，为研究仿生机器鱼驱动机构提供了新的思路。其中，IPMC材料凭借集传感、驱动、能量收集等功能于一身的优势，有望成为新一代水下驱动器制作材料。IPMC是一种离子型电致功能聚合物(Electroactive Polymer,EAP)材料，其主体是聚合物薄膜，薄膜两侧镀有薄的贵金属电极。在外加电压作用下，IPMC向阳极方向发生弯曲变形。以IPMC作为仿生机器鱼驱动器，与传统的电机驱动相比，具有能耗低、续航时间长、连续柔性好、运动无噪声、环境友好等优点。

目前，国内外的研究人员针对IPMC驱动仿生机器鱼已经做了一定的研究与探索。但其中以模仿BCF模式中尾鳍摆动驱动、身体波动驱动和MPF模式中的胸鳍摆动驱动的鱼类居多，而少有模仿MPF模式中依靠波动鳍推进的鱼类。而MPF推进模式仿生机器鱼在低速游动下的推进效率、机动性和稳定性更为出色，更加适应水下勘测和侦察作业，其中胸鳍波动推进仿生机器鱼更是具有优异的游动性能，已成为仿生机器鱼研究领域的新兴热点。

基于IPMC驱动的仿生波动鳍要实现在水中的主动运动控制，除了需要合理的外形结构尺寸之外，还要有相应的控制系统相配合，且同时满足驱动材料IPMC的要求。而当前研究中提出的IPMC驱动材料控制系统，存在着控制通道少、输出电流小、波形输出单一等局限性，无法满足IPMC驱动和控制仿生波动鳍运动所需的、具有高输出电流的双极性正弦波和方波,且其频率、幅值和相位差可调的控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法及系统，控制系统可独立控制IPMC驱动信号的幅值、频率及相位差，满足仿生波动鳍各种运动模式的驱动信号需求。

本发明采用以下技术方案：

一种IPMC驱动的仿生波动鳍运动控制系统设计方法，包括以下步骤：

S1、根据仿生波动鳍的运动方式得到IPMC驱动电压信号U_n(n,t)，规划控制系统整体性能指标；

S2、基于步骤S1中控制系统的性能指标进行功能模块规划，设计硬件系统的硬件组成模块；

S3、根据步骤S2设计的硬件组成模块，按照控制系统设计需求和所要实现的功能将硬件组成模块进行组合，并对应设计硬件系统的各模块电路结构；