机器海豚的运动控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机器海豚的运动控制方法，包括：加速阶段、上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共5个阶段，其中加速阶段采用攻角算法，将尾鳍的攻角控制在最佳的角度，最大化推进力，从而使机器海豚达到最高游速；在其余4个阶段，通过调整每个过程中机器海豚的姿态、速度、方向等参数使机器海豚达到最大的跃出水面的高度。本发明专利技术的方法可以使机器海豚达到每秒数倍体长的高速度，比现有速度大幅度提升，从而首次完成了仿生机构推进下的机器海豚跃出水面的动作。

【技术实现步骤摘要】
机器海豚的运动控制方法和装置
本专利技术涉及仿生学领域，更具体地涉及一种机器海豚的运动控制方法和装置。
技术介绍
在长期的进化过程中，很多鱼类具有快速游动的能力。快速的游动不仅可以帮助鱼类逃避敌害，也有助于捕食其他鱼类，鱼类快速游动机制是很多国内外学者关注和研究的重要领域。基于快速游动的仿生机器鱼的研究具有重要的研究价值和应用前景，特别是在复杂环境中的水下作业、军事侦察、海底勘探、海洋生物研究等方面前景广阔。同时，海豚可以跃出水面，帮助其换气和躲避敌害。海豚不但具有快速游动的能力，同时，还具有高超的运动技巧。海豚在水下有可以与鱼相媲美的游速及机动性，同时还能完成跃水等高难度动作，因此，机器海豚具有很大的研究价值，其游动、跃水等控制受到越来越多学者的重视。在获得高游速方面，许多研究者做了大量的工作。对于国外的研究系统，游泳速度比较快的机器鱼包括日本船舶公司的UPF-2001、PF-700机器鱼等等，它们是针对鱼类快速游动的特征设计的，其游泳速度均可达1倍体长/秒。目前有文献可查的最高游速为北航的SPC-II型机器鱼，其最高游速可达1.2倍体长/秒。但这仍与海豚或鱼类的游速有一定差距，更难以实现跃水等以高游速为前提的高难度动作。在跃水方面，由于现有的机器鱼及机器海豚的游速普遍偏低，因此尚未见有成功的实验报导。但是在非仿生推进的前提下，则有以螺旋桨为动力的SeabreacherX系列等载人潜水器能够模仿海豚的跃水动作，不过目前尚没有仿生推进下的机器鱼或机器海豚跃出水面的报告。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的之一是设计一种仿生机器海豚的运动控制方法，从而可以使机器海豚达到每秒数倍体长的高速度，并以此为基础完成跃出水面的动作。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种机器海豚的运动控制方法，所述运动控制方法采用攻角算法来控制所述机器海豚尾鳍的拍打动作，从而使所述机器海豚加速游动，其中根据所述机器海豚尾鳍获得的升力和阻力的关系，在所述机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度，从而最大化推进力；以及在所述机器海豚尾鳍拍水过程中，根据推导出的所述机器海豚合适的尾关节的关节角与俯仰角、腰关节的关节角与游速之间的数学关系式，使所述机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前。其中，所述机器海豚的运动关节至少包括腰关节和尾关节。其中，所述在机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度的步骤包括：步骤3.1为了使游速极大化，攻角应该尽量保持为升力系数最大时的15°；步骤3.2当尾鳍移动角小于1.69°时，所述机器海豚的攻角为0°，当尾鳍移动角大于5.71°时，攻角设置为15°；步骤3.3尾鳍移动角在1.69°和5.71°之间时，设计出一种正弦规律变化的尾鳍移动角和攻角之间的变化规律，使攻角在0-15°之间平滑过渡，结合步骤3.2的结论，攻角α和尾鳍移动角ξ的关系为：其中ξ1＝1.69°，ξ2＝5.71°，αmax＝15°；通过控制腰关节和尾关节的关节角，使攻角α满足上面的关系式；步骤3.4机器海豚腰关节的变化规律根据鱼类摆动身体的情况设定为正弦变化规律，可求得腰关节关节角θ2，接下来求出尾关节的关节角；步骤3.5设Vc为尾关节在世界坐标系下的速度，它由所述机器海豚的前进速度Vd与腰关节的拍动所产生的速度V′c合成而成，这三个向量可以构成三角形ABC，其中，AB对应V′c，BC对应Vd，AC对应Vc，BC边的高为AD，β2为尾柄与海豚前进方向的夹角，尾柄向上时为正，表示角速度，用以确定此时尾柄移动的方向；β3为尾鳍与海豚前进方向的夹角，尾鳍向上时为正，根据矢量的变化关系，求出当前的尾鳍移动角ξ，并根据步骤3.2、3.3的方法求出当前机器海豚为达到最大速度需要的攻角α：其中，sign为符号函数，满足：步骤3.6根据攻角、尾鳍移动角、腰关节的关节角以及海豚各部分与前进方向的夹角之间的关系，求出尾关节的关节角θ3：步骤3.7通过程序设定使步骤3.4中规定的腰关节的关节角θ2和步骤3.6中求得的尾关节的关节角θ3的数据分别送给所述机器海豚的电机驱动器，则此时所述机器海豚通过腰关节和尾关节的波动前进时的尾鳍的攻角α会满足步骤3.3中的设定模式，使游速最大化。作为本专利技术的另一个方面，本专利技术还提出了一种机器海豚的运动控制方法，包括以下步骤：根据如上任意一项所述的机器海豚的运动控制方法将所述机器海豚加速到每秒一倍体长以上的速度；使所述机器海豚上浮到水面；通过控制所述机器海豚的胸鳍，使所述机器海豚的出水角为60°，从而使所述机器海豚跃出水面；以及所述机器海豚依靠惯性在空中飞行一段距离后俯冲下落，完成整个跃水过程。其中，在所述机器海豚跃出水面的瞬间通过所述机器海豚尾鳍的拍动使其继续加速0.1秒的时间。其中，所述机器海豚在空中滑翔时能够通过弯曲腹部来加快俯冲过程，或者通过伸展躯干来延长滞空时间。其中，将所述机器海豚重新入水时的基准俯仰角设置为-45°。其中，所述将所述机器海豚加速到每秒一倍体长以上的速度的步骤中将所述机器海豚的游速控制在2.9倍体长/秒。其中，所述机器海豚实际的俯仰角和角速度由陀螺仪测量，腰关节的关节角和角速度由电机驱动器反馈。作为本专利技术的再一个方面，本专利技术还提出了一种机器海豚的运动控制装置，包括：陀螺仪，测量所述机器海豚实际的俯仰角和角速度；电机驱动器，驱动所述机器海豚的尾鳍拍水，同时反馈所述机器海豚尾鳍的关节角和角速度；处理器，根据存储的攻角控制算法计算所述机器海豚的攻角，并根据如上任意一项所述的机器海豚的运动控制方法来控制所述机器海豚尾鳍的拍水角度和动作。基于上述技术方案可知，本专利技术的方法可以使机器海豚达到每秒数倍体长的高速度，比现有的机器鱼/机器海豚速度大幅度提升，从而具备了跃出水面的必要条件，并且首次完成了仿生机构推进下的机器鱼/机器海豚跃出水面的动作，而这在国内外已有的报告和文献中还没有采用仿生机构推进的机器鱼或机器海豚成功跃出水面的案例。附图说明图1是本专利技术的机器海豚的尾鳍一个拍动周期中滑过轨迹的示意图；图2是本专利技术的机器海豚的连杆简化示意图；图3是本专利技术的机器海豚尾鳍受力示意图；图4是本专利技术的机器海豚尾柄上拍前半段的攻角计算示意图；图5是本专利技术的机器海豚尾柄下拍后半段的攻角计算示意图；图6是本专利技术的机器海豚快速游动的闭环控制框图；图7是本专利技术的机器海豚跃水实验的实验视频截图；图8是本专利技术的机器海豚跃出水面各个阶段的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提出了一种快速游动的机器海豚跃出水而的运动控制方法，包括：机器海豚的加速阶段、上浮阶段、出水阶段、飞行阶段、入水阶段共5个阶段完成其跃出水面的整个过程。因为高游速是机器海豚跃出水面的必要条件和前提，所以加速阶段是非常重要的阶段，该阶段的设计思想为：采用攻角算法，实时调整攻角α，将尾鳍的攻角控制在最佳的角度，最大化推进力，从而使机器海豚达到最高游速。攻角算法的具体步骤为：第一步：根据尾鳍获得的升力和阻力的关系，推导出尾鳍移动角和攻角的数学关系，使海豚获得净推进力。第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器海豚的运动控制方法，所述运动控制方法采用攻角算法来控制所述机器海豚尾鳍的拍打动作，从而使所述机器海豚加速游动，其中根据所述机器海豚尾鳍获得的升力和阻力的关系，在所述机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度，从而最大化推进力；以及在所述机器海豚尾鳍拍水过程中，根据推导出的所述机器海豚合适的尾关节的关节角与俯仰角、腰关节的关节角与游速之间的数学关系式，使所述机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前。

【技术特征摘要】
1.一种机器海豚的运动控制方法，其特征在于，所述运动控制方法采用攻角算法来控制所述机器海豚尾鳍的拍打动作，从而使所述机器海豚加速游动，其中：根据所述机器海豚尾鳍获得的升力和阻力的关系，在所述机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度，从而最大化推进力；以及在所述机器海豚尾鳍拍水过程中，根据推导出的所述机器海豚合适的尾关节的关节角与俯仰角、腰关节的关节角与游速之间的数学关系式，使所述机器海豚通过各关节俯仰运动的配合满足尾鳍产生的推进力F的方向在一个波动周期内的大部分时间都向前。2.根据权利要求1所述的机器海豚的运动控制方法，其中所述机器海豚的运动关节至少包括腰关节和尾关节。3.根据权利要求1所述的机器海豚的运动控制方法，其中在所述机器海豚尾鳍的拍打运动时，将所述机器海豚的攻角控制在最佳角度的步骤包括：步骤3.1为了使游速极大化，攻角应该尽量保持为升力系数最大时的15°：步骤3.2当尾鳍移动角小于1.69°时，所述机器海豚的攻角为0°，当尾鳍移动角大于5.71°时，攻角设置为15°；步骤3.3尾鳍移动角在1.69°和5.71°之间时，设计出一种正弦规律变化的尾鳍移动角和攻角之间的变化规律，使攻角在0-15°之间平滑过渡，结合步骤3.2的结论，攻角α和尾鳍移动角ξ的关系为：其中ξ1＝1.69°，ξ2＝5.71°，αmax＝15°；通过控制腰关节和尾关节的关节角，使攻角α满足上面的关系式；步骤3.4机器海豚腰关节的变化规律根据鱼类摆动身体的情况设定为正弦变化规律，可求得腰关节关节角θ2，接下来求出尾关节的关节角；步骤3.5设Vc为尾关节在世界坐标系下的速度，它由所述机器海豚的前进速度Vd与腰关节的拍动所产生的速度V′c合成而成，这三个向量可以构成三角形ABC，其中，AB对应V′c，BC对应Vd，AC对应Vc，BC边的高为AD，β2为尾柄与海豚前进方向的夹角，尾柄向上时为正，表示角速度，用以确定此时尾柄移动的方向；β3为尾鳍与海豚前进方向的夹角，尾鳍向上时为正，根据矢量的变化关系，求出当前的尾鳍移动角ξ，并根据步骤3.2、3.3的方法求出当前机器海豚为达到最大速度需要的攻角α：

【专利技术属性】
技术研发人员：苏宗帅，喻俊志，张程，谭民，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11