一种基于三维模糊化处理的单体机器鱼行为控制方法技术

一种基于三维模糊化处理的单体机器鱼行为控制方法，属于智能控制技术领域。涉及机器鱼顶球运动，提出了面向不同区域顶球点的划分方法，设计了不同区域对应的行为策略，给出了机器鱼顶球过程中的基本行为序列。采用面向不同“区域”的控制算法，实现机器鱼顶球到达目标点的简单任务；具体根据顶球点划分水池区域，设计了机器鱼在对应区域的顶球运动行为。本发明专利技术可适应于多种机器鱼在含有障碍、噪音等较复杂的水下环境，应用范围广；将速度、角度、采样时间采用三维模糊化处理，并转化为控制模式，便于机器鱼控制模式的直接调用，大大简化了算法流程，降低了算法复杂度，具有数据更新速度快、精确度高及实时性好的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略
本专利技术涉及一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略，属于智能控制

技术介绍
机器人运动规划问题是任何机器人研究者都不会忽略的问题，运动规划对机器人高效运动有重要作用。然而，水下机器鱼运动规划同陆地机器人相比具有特殊的难点：(1)机器鱼特殊的运动学模型带来的难点，即由于惯性作用，机器鱼在水中无法立刻停止，或者像陆地机器人一样自由的后退。再者，目前仍然未能为机器鱼的运动建立精确的动力学模型，因此发出控制命令后，只能大致地预测机器鱼的反应；(2)同陆地环境相比，水下环境具有更多的不确定性及干扰。当机器鱼游动时带来的扰动水波，不仅将影响到机器鱼本身及其他机器鱼的运动，而且会影响到传感器的精确测量；(3)另外，被运输的物体可能会由于水波的冲击发生漂移和转动，这将会给机器鱼的运输运动控制带来很大的困难。因此，大多数陆地机器人的协作算法不能直接应用到机器鱼上，需要提出更新的、抗干扰能力更强的控制算法。在机器鱼顶球的任务中，要求机器鱼在水池环境中，将半径为r的水球从初始位置移动到目标位置，没有其他辅助装置，机器鱼只允许通过头部或尾鳍顶球。理论上来讲，是运动规划和行为选择问题，不仅涉及到底层的运动控制，而且涉及到上层的规划和控制。因为水中环境会因机器鱼的游动而产生水波，因此采集水中环境信息，即机器鱼、水球、目标点的位置和角度信息，进行图像识别、处理是很重要的。本专利假设初始情况下水球和机器鱼的位置可以是任意的。现有针对单体机器鱼顶球运动规划问题虽然能够使得机器鱼很快找到水球位置，该行为是游向行为，该算法较为复杂，尤其针对机器鱼转弯策略设计中，较难实现。因此，在运动性能提升方面及算法复杂度方面均存在很大改进空间。本专利致力于从运动学角度对单体机器鱼顶球运动规划问题进行了改进，采用面向不同“区域”的控制算法，实现机器鱼顶球到达目标点的简单任务。该算法的基本思想是：根据顶球点划分水池区域，设计了对应区域的具体行为。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有单体机器鱼顶球运动规划算法较为复杂且转弯策略难以实现的技术缺陷，提出了一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略。本专利技术的核心思想为：采用面向不同“区域”的控制算法，实现机器鱼顶球到达目标点的简单任务；具体根据顶球点划分水池区域，设计了机器鱼在对应区域的顶球运动行为。一种基于三维模糊PTP算法的改进单体机器鱼行为控制策略，包括如下步骤：步骤1初始化采样时间、划分水池区域以及顶球点位置为主的参数，具体为：步骤1.1初始化采样时间ΔT；步骤1.2将机器鱼进行水下运动所处的水池区域划分为区域1、区域2、区域3和区域4；其中，区域1为进攻区PR(PushingRegion)；区域2为上边界区UBR(UpperBoundaryoftheRegion)；区域3为下边界区LBR(LowerBoundaryoftheRegion)；区域4为射门区GR(GoalRegion)；步骤1.3设定不同区域对应的顶球点坐标；其中，顶球点，记为Point点；对应于步骤1.2的不同水池区域设定的顶球点位置如下：(1)向下顶球点：对应上边界区UBR，设定的向下顶球点坐标为(b_pt.x,b_pt.y-r)；(2)向右顶球点：对应进攻区PR，设定的向右顶球点坐标为(b_pt.x-r,b_pt.y)；(3)向上顶球点：对应下边界区LBR，设定的向上顶球点坐标为(b_pt.x,b_pt.y+r)；(4)射门顶球点：对应射门区GR，设定的射门顶球点坐标为：(b_pt.x-rcos(b_to_g_dir),b_pt.y-rsin(b_to_g_dir))；步骤2更新机器鱼的位置、方向信息及环境信息，计算机器鱼同顶球点的距离差和方向差，并判断机器鱼是否到达目标点，决定是否结束本专利技术所提策略，具体为：其中，距离差，记为l；方向差，记为θe；若(l＜δl)∩(θe＜δθe)，表明机器鱼已经到达目标点，结束本专利技术所提策略；否则，转步骤3；其中，δl为距离绝对误差，δθe为方向绝对误差；步骤3根据步骤2机器鱼的方向差，提取转角，对机器鱼进行方向控制，即决定调用转弯模态还是速度策略，具体为：步骤3.1获取机器鱼当前的方向差θe，并根据方向差与角度阈值的大小关系，进行如下操作：其中，角度阈值，记为θf，其取值范围为85到95度，优选的θf为90度；3.1A获取机器鱼当前的方向差θe，如果|θe|＜θf，转步骤4调用设计的机器鱼速度策略；3.1B若|θe|≥θf，则转步骤3.2；步骤3.2调用转弯模态进行大幅度方向改变；其中，转弯模态，记为Mode1，具体为：3.2A若θe＜-θf，机器鱼进行左急转弯，转角为负60度到负30度，转步骤4；3.2B若θe＞θf，机器鱼进行右急转弯，转角为30度到60度，转步骤4；步骤4：根据步骤2中距离差进行速度控制，设计机器鱼的速度策略，具体为：4.1若距离差满足l＞Ld，则设置机器鱼的速度为speed＝15，跳至步骤5；4.2若距离差满足Ls＜l≤Ld，则设置机器鱼的速度为speed＝12，跳至步骤5；4.3若距离差l≤Ls，则设置机器鱼的速度为speed＝8，跳至步骤5；其中，Ls为近距离阈值，Ld为远距离阈值，且Ls＜Ld；步骤5：将机器鱼的转角、速度值和采样时间进行三维模糊化处理，转化为不同的控制模式，通过无线方式发送给机器鱼，转步骤2，具体为：步骤5.1对机器鱼的转角、速度值和采样时间进行三维模糊化处理，具体为：5.1A在不同的采样时间下，机器鱼的转角和速度值划分区间不同；5.1B将转角、速度和采样时间转换为运动模式；其中，运动模式用(θa，Va，Ta)表示,θa为角度档位，Va为速度档位，Ta为采样时间档位；其中，三维模糊化处理遵循如下规则：在如下条件下对转角、速度、采样时间模糊化处理，转换为同一运动模式：⑴相同的区间，不同的采样时间，⑵相同的速度区间，不同的速度值，⑶相同的转角区间，不同的转角值；而不同的转角区间、速度区间或采样时间区间，对转角、速度或采样时间模糊化处理，转换为不同的运动模式；步骤5.2规划机器鱼顶球行为，即：针对步骤5.1输出的机器鱼所处区域及其运动模式，确定机器鱼的顶球行为；其中，顶球行为由一系列动作组成，如实施例4所示；步骤5.3规划机器鱼的基本动作，即：针对步骤5.2中机器鱼的顶球行为确定机器鱼的机器鱼动作；其中，机器鱼的机器鱼动作由电机控制；步骤5.4确定机器鱼的控制参数：将步骤5.3规划的机器鱼的基本动作转换为电机控制参数；步骤5.5将步骤5.4输出的电机控制参数经无线方式传给机器鱼，控制机器鱼的顶球行为，转步骤2；至此，经过了步骤1到步骤5，完成了一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略。有益效果一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略，与现有的单体机器鱼行为控制方法相比，具有如下有益效果：1.本专利技术针对不同区域划分设计相应的机器鱼行为控制策略，可适应于多种机器鱼在含有障碍、噪音等多种比较复杂的水下环境中，应用范围广；2.本专利技术所提策略中将速度、角度、采样时间，采用三维模糊化处理，并转化为控制模式，便于机器鱼控制模式的直接调用，大大简化了算法流程，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略，其特征在于：包括如下步骤：步骤1初始化采样时间、划分水池区域以及顶球点位置为主的参数；步骤2更新机器鱼的位置、方向信息及环境信息，计算机器鱼同顶球点的距离差和方向差，并判断机器鱼是否到达目标点，决定是否结束本专利技术所提策略；步骤3根据步骤2机器鱼的方向差，提取转角，对机器鱼进行方向控制，即决定调用转弯模态还是速度策略；步骤4：根据步骤2中距离差进行速度控制，设计机器鱼的速度策略；步骤5：将机器鱼的转角、速度值和采样时间进行三维模糊化处理，转化为不同的控制模式，通过无线方式发送给机器鱼，转步骤2；至此，经过了步骤1到步骤5，完成了一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略。

【技术特征摘要】
2016.11.30 CN 20161108939481.一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略，其特征在于：包括如下步骤：步骤1初始化采样时间、划分水池区域以及顶球点位置为主的参数；步骤2更新机器鱼的位置、方向信息及环境信息，计算机器鱼同顶球点的距离差和方向差，并判断机器鱼是否到达目标点，决定是否结束本发明所提策略；步骤3根据步骤2机器鱼的方向差，提取转角，对机器鱼进行方向控制，即决定调用转弯模态还是速度策略；步骤4：根据步骤2中距离差进行速度控制，设计机器鱼的速度策略；步骤5：将机器鱼的转角、速度值和采样时间进行三维模糊化处理，转化为不同的控制模式，通过无线方式发送给机器鱼，转步骤2；至此，经过了步骤1到步骤5，完成了一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略。2.根据权利要求1所述的一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略，其特征在于：步骤1，具体为：步骤1.1初始化采样时间ΔT；步骤1.2将机器鱼进行水下运动所处的水池区域划分为区域1、区域2、区域3和区域4；其中，区域1为进攻区PR(PushingRegion)；区域2为上边界区UBR(UpperBoundaryoftheRegion)；区域3为下边界区LBR(LowerBoundaryoftheRegion)；区域4为射门区GR(GoalRegion)；步骤1.3设定不同区域对应的顶球点坐标；其中，顶球点，记为Point点；对应于步骤1.2的不同水池区域设定的顶球点位置如下：(1)向下顶球点：对应上边界区UBR，设定的向下顶球点坐标为(b_pt.x,b_pt.y-r)；(2)向右顶球点：对应进攻区PR，设定的向右顶球点坐标为(b_pt.x-r,b_pt.y)；(3)向上顶球点：对应下边界区LBR，设定的向上顶球点坐标为(b_pt.x,b_pt.y+r)；(4)射门顶球点：对应射门区GR，设定的射门顶球点坐标为：(b_pt.x-rcos(b_to_g_dir),b_pt.y-rsin(b_to_g_dir))。3.根据权利要求1所述的一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略，其特征在于：步骤2中，距离差，记为l；方向差，记为θe；步骤2，具体为：若(l＜δl)∩(θe＜δθe)，表明机器鱼已经到达目标点，结束本发明所提策略；否则，转步骤3；其中，δl为距离绝对误差，δθe为方向绝对误差。4.根据权利要求1所述的一种基于三维模糊PTP算法的单体机器鱼行为控制策略，其特征在于：步骤3具体为：步骤3.1获取机器...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭树理，韩丽娜，王稀宾，何昆仑，袁振兵，郑凯，崔伟群，骆雷鸣，王春喜，黄剑武，李铁岭，郭芙苏，
申请(专利权)人：北京理工大学，中国人民解放军总医院，
类型：发明
国别省市：北京,11