專利名稱：仿生機器魚游動方向的模糊控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生機器魚運動方向控制方法。
背景技術(shù)：
國際和國內(nèi)研究機構(gòu)在機器魚方面研究的重點一般集中于仿魚推進模式的水動力學(xué)模型和高效、高機動性機器魚的開發(fā)，對仿生機器魚所面臨的復(fù)雜控制問題則相對研究較少，而仿生機器魚的高精度游動控制則是仿生機器魚完成很多復(fù)雜的水下作業(yè)、切實應(yīng)用于實際工作中的最基本要求之一。2001年在韓國召開的IEEE ICRA國際會議上，Kristi A.Morgansen等人提出了一種仿鲹科魚類的機器魚簡單模型的非線性控制方法，能夠產(chǎn)生前向推力和調(diào)節(jié)步態(tài)。但是，該機器魚模型只是一種根據(jù)鲹科魚類的推進機理沿固定導(dǎo)軌運動的機械機構(gòu)，同真正意義上的仿生機器魚有較大差距。一個仿生機器魚通常由多個關(guān)節(jié)構(gòu)成其驅(qū)動部分，其游動控制與復(fù)雜的流體動力學(xué)問題密切相關(guān)，是一個非線性的、多變量的復(fù)雜控制對象。而在現(xiàn)有機器魚運動水動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上還無法建立起機器魚游動的復(fù)雜水動力學(xué)模型，因此無法依靠精確的水動力學(xué)模型進行仿生機器魚的控制系統(tǒng)設(shè)計。即便可以得到機器魚游動的精確水動力學(xué)模型，由于仿生機器魚在水中的游動受到多種不確定擾動因素的影響，一般的常規(guī)控制方法和現(xiàn)代控制方法也很難保證其控制精度，或過于復(fù)雜、繁瑣無法保證其實時游動的需要。所以，在滿足機器魚游動所需控制精度的基礎(chǔ)上使用一種簡單可靠的、實時性好的、能夠在復(fù)雜擾動環(huán)境下工作的仿生機器魚游動控制算法是保證仿生機器魚在實際工作中得以應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種模糊控制方法，使仿生機器魚的游動方向控制在只需實驗結(jié)果和人的控制策略、經(jīng)驗的有效綜合，無需被控對象的精確數(shù)學(xué)模型的情況下即可實現(xiàn)較為滿意的控制精度。
為實現(xiàn)上述目的，仿生機器魚游動方向的模糊控制方法包括步驟計算偏差e和偏差變化率ec；將e和ec模糊化；確定控制量；給出精確控制量；精確控制量乘以比例因子，然后輸出控制量。
本發(fā)明將為仿生機器魚系統(tǒng)實現(xiàn)精確游動控制，并實際應(yīng)用在水下資源的勘測、水下救撈、水下設(shè)施的維護與巡檢、海洋領(lǐng)土的防御等方面提供基本的技術(shù)保障。


圖1是魚體波波幅包絡(luò)線圖2是一個通過4關(guān)節(jié)實現(xiàn)魚體波曲線擬合的仿生機器魚圖3是仿生機器魚游動方向模糊控制器框4是控制量U的隸屬函數(shù)圖5是仿生機器魚游動方向模糊控制算法的工作流程6是仿生機器魚沿直線游動時方向誤差曲線具體實施方式
鲹科魚類游動時身體擺動實際上只限于尾部，屬于波動推進方式，它們在游動時身體主干部分(前2/3身體部分)波幅很小，明顯的波動主要集中在身體的后1/3處。推進波大于魚的游動速度，并反向由魚頭向魚尾在魚體上傳播，魚體每一部分的橫向振幅都不相同，并且在魚鰭尾端達到最大值。鲹科魚類的魚體波曲線為魚體波波幅包絡(luò)線(如圖1所示)和正弦曲線的合成ybody(x，t)＝(c1x+c2x2)[sin(kx+ωt)]其中，k身體波波數(shù)，k＝2π/λ；λ身體波波長；ω身體波角頻率，ω＝2πf；t時間；c1，c2為魚體波波幅包絡(luò)線系數(shù)。
依據(jù)這種波動推進原理，可以通過擬合上式中的魚體波曲線來設(shè)計多關(guān)節(jié)的仿生機器魚，而本發(fā)明主要是針對仿鲹科魚類、通過使用3-8關(guān)節(jié)擬合魚體波曲線方式設(shè)計的仿生機器魚的游動方向控制問題。圖2給出一個四關(guān)節(jié)仿生機器魚擬合魚體波曲線的例子。仿生機器魚按照魚體波曲線進行運動時，在魚體波的不同相位，關(guān)節(jié)擬合的位置不同則其角度也有所不同，所以，按照魚體波曲線函數(shù)，計算出每一個相位上用于擬合魚體波曲線的關(guān)節(jié)的角度，作為機器魚游動的數(shù)據(jù)。仿生機器魚各關(guān)節(jié)的角度控制可以通過電機直接驅(qū)動或通過鋼絲繩、拉桿等傳動元件帶動的方式實現(xiàn)。仿生機器魚通過多個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動實現(xiàn)在水中的自由游動。
仿生機器魚運動時的方向控制主要是通過控制其轉(zhuǎn)彎來進行調(diào)整的。通常，機器魚具有三種基本的轉(zhuǎn)彎模式。(1)前進中轉(zhuǎn)彎，即機器魚在保持持續(xù)推進時進行轉(zhuǎn)彎。(2)慣性前進轉(zhuǎn)彎，即機器魚在直線游動并獲得動能的基礎(chǔ)上突然停止，而后靠慣性力前進，同時機器魚把身體處于全彎的位置，靠水動力學(xué)的作用力轉(zhuǎn)彎。(3)靜止轉(zhuǎn)彎，即機器魚在沒有前進速度的情況下，從靜止狀態(tài)快速擺動它的尾部進行轉(zhuǎn)彎。
由于還沒有合適的數(shù)學(xué)模型、水動力學(xué)模型來描述魚類的轉(zhuǎn)彎過程，許多問題還不清楚，所以，我們暫時還不能依靠通過建立機器魚轉(zhuǎn)彎數(shù)學(xué)模型的辦法來進行轉(zhuǎn)彎控制。根據(jù)仿生機器魚轉(zhuǎn)彎模式的說明和實驗獲得的經(jīng)驗知識，本發(fā)明主要是對仿生機器魚游動中和僅靠慣性力作用運動時的游動方向控制使用本發(fā)明提出的機器魚游動方向模糊控制器。本發(fā)明所提游動方向控制方案不包含轉(zhuǎn)彎模式(3)，即處在完全靜止狀態(tài)時機器魚方向調(diào)整控制。
依據(jù)波動推進理論和實驗經(jīng)驗確定對仿生機器魚游動方向起重要作用的仿生機器魚驅(qū)動關(guān)節(jié)為從魚尾向魚頭數(shù)，第一個和第二個驅(qū)動關(guān)節(jié)(例如，圖2中所示的4關(guān)節(jié)仿生機器魚，其關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4，即從魚尾數(shù)的第二關(guān)節(jié)和第一關(guān)節(jié)，在游動方向控制中起重要作用)，且在方向控制中此兩關(guān)節(jié)具有相同的模糊控制規(guī)律，所以本發(fā)明設(shè)計了一個雙變量輸入雙變量輸出的機器魚游動方向模糊控制器。依據(jù)仿生機器魚游動方向誤差及誤差變化率和模糊控制規(guī)則進行模糊推理，并計算出一個關(guān)節(jié)的控制量，然后用這一控制量乘以比例因子對兩個驅(qū)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角進行控制。模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中r為設(shè)定的仿生機器魚游動方向；y為通過傳感器實際獲得的仿生機器魚游動方向；e為游動方向偏差，在k時刻e(k)＝y(tǒng)(k)-r；ec為偏差變化率，在k時刻ec(k)＝y(tǒng)(k)-y(k-1)；k1、k2為量化因子；k3、k4為比例因子；E、EC為模糊化后的e、ec；α1為調(diào)節(jié)因子，依據(jù)實際情況確定；U為由模糊規(guī)則獲得的模糊控制量；u為U解模糊后的控制量；u1、u2為乘以相應(yīng)比例因子后的實際輸出的控制量。
1、輸入變量的模糊化、量化等級和隸屬函數(shù)仿生機器魚游動方向偏差e，偏差范圍定為[-|emax|，|emax|]，規(guī)定向右偏為正，向左偏為負；量化因子定為k1＝6/|emax|；將e量化為論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值，并按一定隸屬度關(guān)系使該值與模糊變量E的7個語言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相對應(yīng)，隸屬函數(shù)如下表1(該隸屬函數(shù)可在實際控制時修正)
表1仿生機器魚游動方向偏差E的隸屬函數(shù) 仿生機器魚游動方向偏差變化率ec，偏差范圍定為[-|ecmax|，|ecmax|]，規(guī)定向右偏為正，向左偏為負；量化因子定為k2＝6/|ecmax|；將ec量化為論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值，并按一定隸屬度關(guān)系使該值與模糊變量EC的7個語言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相對應(yīng)，隸屬函數(shù)如下表2(該隸屬函數(shù)可在實際控制時修正)
表2仿生機器魚游動方向偏差變化率EC的隸屬函數(shù) 2、輸出變量的解模糊、量化等級和隸屬函數(shù)u為用于仿生機器魚方向控制的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，其范圍為[-|umax|，|umax|]；比例因子定為k3＝|umax|/6，在最終控制量輸出時使用；將控制量u的論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值按一定隸屬度關(guān)系與模糊變量U的7個語言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相對應(yīng)，其(該隸屬函數(shù)可在實際控制時修正)。隸屬函數(shù)為圖4所示的三角形函數(shù)3、模糊控制規(guī)則和模糊控制查詢表總結(jié)模糊控制經(jīng)驗可得下面的模糊控制規(guī)則表(表3)
表3模糊控制規(guī)則表 4、非模糊化非模糊化即清晰化，采用加權(quán)平均判決法將模糊控制量轉(zhuǎn)為對應(yīng)的精確控制量。
5、模糊控制表依據(jù)上述表1、2、3和圖4中的各輸入變量、控制量的隸屬函數(shù)和及其相互間的模糊控制規(guī)則，模糊推理可以確定如下模糊控制量查詢表表4
表4控制量查詢表 在給定e和ec量化后的論域值的基礎(chǔ)上，查詢表4可獲得相應(yīng)的模糊控制的精確控制量，該量值乘以比例因子后作為最終控制量輸出。當(dāng)各輸入變量、控制量的隸屬函數(shù)或其相互間的模糊控制規(guī)則發(fā)生變化時，應(yīng)重新計算并確定控制量查詢表。
6、仿生機器魚游動方向控制的實現(xiàn)將依據(jù)模糊控制規(guī)則表建立的游動方向模糊控制查詢表預(yù)先存儲在仿生機器魚內(nèi)部存儲器上，在實際控制中將實時采集到的方向偏差和偏差變化率模糊化，通過查詢模糊控制查詢表獲得所需控制量并進行相應(yīng)的變換后輸出控制量實現(xiàn)游動方向模糊控制。模糊控制算法的具體工作流程見圖5。
實施例1本仿生機器魚游動方向模糊控制方法應(yīng)用于一個仿鲹科魚類的四關(guān)節(jié)仿生機器魚的控制中，機器魚長0.5米，各關(guān)節(jié)由步進電機直接驅(qū)動。游動方向模糊控制算法運行在仿生機器魚內(nèi)部的微控器上。通過微控器控制一塊CPLD，由CPLD調(diào)制產(chǎn)生PWM信號，控制舵機的角度，從而實現(xiàn)各關(guān)節(jié)角度的控制。模糊控制器的輸入變量游動方向角度偏差e，實際的角度偏差范圍定為[-20度，20度]，規(guī)定向右偏為正，向左偏為負；偏差變化率ec，范圍為[-40，40]。u采用與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度一一對應(yīng)的步進電機的CPLD脈寬調(diào)制值，其范圍為[-240，240]；量化因子k1＝6/20，k2＝6/40；比例因子k3＝k4＝240/6；采用本發(fā)明所給出的模糊控制規(guī)則和相應(yīng)查詢表進行模糊推理和控制。采用此模糊控制算法后，仿生機器魚很好地解決了無障礙水面中沿直線從一點游動到另一點時的方向控制問題，其游動方向誤差曲線如圖6所示。
權(quán)利要求
1.一種仿生機器魚游動方向的模糊控制方法，包括步驟計算偏差e和偏差變化率ec；將e和ec模糊化；確定控制量；給出精確控制量；精確控制量乘以比例因子，然后輸出控制量。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述控制量根據(jù)控制量查詢表獲得。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述精確控制量依據(jù)平均加權(quán)法獲得。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述所述控制量為一個關(guān)節(jié)的控制量。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述所述的一個關(guān)節(jié)的控制量乘以比例因子對兩個驅(qū)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角進行控制。
全文摘要
仿生機器魚游動方向的模糊控制方法，包括步驟計算偏差e和偏差變化率ec；將e和ec模糊化；確定控制量；給出精確控制量；精確控制量乘以比例因子，然后輸出控制量。本發(fā)明將為仿生機器魚系統(tǒng)實現(xiàn)精確游動控制，并實際應(yīng)用在水下資源的勘測、水下救撈、水下設(shè)施的維護與巡檢、海洋領(lǐng)土的防御等方面提供基本的技術(shù)保障。
文檔編號G05B13/00GK1484119SQ0214283
公開日2004年3月24日 申請日期2002年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月18日
發(fā)明者碩 王, 王碩, 陳爾奎, 喻俊志, 譚民 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所