仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法技术

仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法，包括步骤：计算偏差ｅ和偏差变化率ｅｃ；将ｅ和ｅｃ模糊化；确定控制量；给出精确控制量；精确控制量乘以比例因子，然后输出控制量。本发明专利技术将为仿生机器鱼系统实现精确游动控制，并实际应用在水下资源的勘测、水下救捞、水下设施的维护与巡检、海洋领土的防御等方面提供基本的技术保障。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

Fuzzy control method for swimming direction of bionic robot fish

The fuzzy control method, bionic fish swimming direction comprises the following steps: Calculation of deviation E and deviation change rate of EC; E and EC fuzzy control; Determination of content; give precise control; precise control quantity multiplied by a scaling factor, and then output control. The system of bionic robot fish swimming control accurately, and the practical application in underwater exploration, underwater salvage, underwater facilities maintenance and inspection, the marine territorial defense and other aspects to provide basic technical support. \ue5cf

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及仿生机器鱼运动方向控制方法。
技术介绍
国际和国内研究机构在机器鱼方面研究的重点一般集中于仿鱼推进模式的水动力学模型和高效、高机动性机器鱼的开发，对仿生机器鱼所面临的复杂控制问题则相对研究较少，而仿生机器鱼的高精度游动控制则是仿生机器鱼完成很多复杂的水下作业、切实应用于实际工作中的最基本要求之一。2001年在韩国召开的IEEE ICRA国际会议上，Kristi A.Morgansen等人提出了一种仿鲹科鱼类的机器鱼简单模型的非线性控制方法，能够产生前向推力和调节步态。但是，该机器鱼模型只是一种根据鲹科鱼类的推进机理沿固定导轨运动的机械机构，同真正意义上的仿生机器鱼有较大差距。一个仿生机器鱼通常由多个关节构成其驱动部分，其游动控制与复杂的流体动力学问题密切相关，是一个非线性的、多变量的复杂控制对象。而在现有机器鱼运动水动力学研究的基础上还无法建立起机器鱼游动的复杂水动力学模型，因此无法依靠精确的水动力学模型进行仿生机器鱼的控制系统设计。即便可以得到机器鱼游动的精确水动力学模型，由于仿生机器鱼在水中的游动受到多种不确定扰动因素的影响，一般的常规控制方法和现代控制方法也很难保证其控制精度，或过于复杂、繁琐无法保证其实时游动的需要。所以，在满足机器鱼游动所需控制精度的基础上使用一种简单可靠的、实时性好的、能够在复杂扰动环境下工作的仿生机器鱼游动控制算法是保证仿生机器鱼在实际工作中得以应用的关键性技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模糊控制方法，使仿生机器鱼的游动方向控制在只需实验结果和人的控制策略、经验的有效综合，无需被控对象的精确数学模型的情况下即可实现较为满意的控制精度。为实现上述目的，包括步骤计算偏差e和偏差变化率ec；将e和ec模糊化；确定控制量；给出精确控制量；精确控制量乘以比例因子，然后输出控制量。本专利技术将为仿生机器鱼系统实现精确游动控制，并实际应用在水下资源的勘测、水下救捞、水下设施的维护与巡检、海洋领土的防御等方面提供基本的技术保障。附图说明图1是鱼体波波幅包络线图2是一个通过4关节实现鱼体波曲线拟合的仿生机器鱼图3是仿生机器鱼游动方向模糊控制器框4是控制量U的隶属函数图5是仿生机器鱼游动方向模糊控制算法的工作流程6是仿生机器鱼沿直线游动时方向误差曲线具体实施方式鲹科鱼类游动时身体摆动实际上只限于尾部，属于波动推进方式，它们在游动时身体主干部分(前2/3身体部分)波幅很小，明显的波动主要集中在身体的后1/3处。推进波大于鱼的游动速度，并反向由鱼头向鱼尾在鱼体上传播，鱼体每一部分的横向振幅都不相同，并且在鱼鳍尾端达到最大值。鲹科鱼类的鱼体波曲线为鱼体波波幅包络线(如图1所示)和正弦曲线的合成ybody(x，t)＝(c1x+c2x2)其中，k身体波波数，k＝2π/λ；λ身体波波长；ω身体波角频率，ω＝2πf；t时间；c1，c2为鱼体波波幅包络线系数。依据这种波动推进原理，可以通过拟合上式中的鱼体波曲线来设计多关节的仿生机器鱼，而本专利技术主要是针对仿鲹科鱼类、通过使用3-8关节拟合鱼体波曲线方式设计的仿生机器鱼的游动方向控制问题。图2给出一个四关节仿生机器鱼拟合鱼体波曲线的例子。仿生机器鱼按照鱼体波曲线进行运动时，在鱼体波的不同相位，关节拟合的位置不同则其角度也有所不同，所以，按照鱼体波曲线函数，计算出每一个相位上用于拟合鱼体波曲线的关节的角度，作为机器鱼游动的数据。仿生机器鱼各关节的角度控制可以通过电机直接驱动或通过钢丝绳、拉杆等传动元件带动的方式实现。仿生机器鱼通过多个关节的协调运动实现在水中的自由游动。仿生机器鱼运动时的方向控制主要是通过控制其转弯来进行调整的。通常，机器鱼具有三种基本的转弯模式。(1)前进中转弯，即机器鱼在保持持续推进时进行转弯。(2)惯性前进转弯，即机器鱼在直线游动并获得动能的基础上突然停止，而后靠惯性力前进，同时机器鱼把身体处于全弯的位置，靠水动力学的作用力转弯。(3)静止转弯，即机器鱼在没有前进速度的情况下，从静止状态快速摆动它的尾部进行转弯。由于还没有合适的数学模型、水动力学模型来描述鱼类的转弯过程，许多问题还不清楚，所以，我们暂时还不能依靠通过建立机器鱼转弯数学模型的办法来进行转弯控制。根据仿生机器鱼转弯模式的说明和实验获得的经验知识，本专利技术主要是对仿生机器鱼游动中和仅靠惯性力作用运动时的游动方向控制使用本专利技术提出的机器鱼游动方向模糊控制器。本专利技术所提游动方向控制方案不包含转弯模式(3)，即处在完全静止状态时机器鱼方向调整控制。依据波动推进理论和实验经验确定对仿生机器鱼游动方向起重要作用的仿生机器鱼驱动关节为从鱼尾向鱼头数，第一个和第二个驱动关节(例如，图2中所示的4关节仿生机器鱼，其关节3和关节4，即从鱼尾数的第二关节和第一关节，在游动方向控制中起重要作用)，且在方向控制中此两关节具有相同的模糊控制规律，所以本专利技术设计了一个双变量输入双变量输出的机器鱼游动方向模糊控制器。依据仿生机器鱼游动方向误差及误差变化率和模糊控制规则进行模糊推理，并计算出一个关节的控制量，然后用这一控制量乘以比例因子对两个驱动关节的转角进行控制。模糊控制器结构如图3所示，其中r为设定的仿生机器鱼游动方向；y为通过传感器实际获得的仿生机器鱼游动方向；e为游动方向偏差，在k时刻e(k)＝y(k)-r；ec为偏差变化率，在k时刻ec(k)＝y(k)-y(k-1)；k1、k2为量化因子；k3、k4为比例因子；E、EC为模糊化后的e、ec；α1为调节因子，依据实际情况确定；U为由模糊规则获得的模糊控制量；u为U解模糊后的控制量；u1、u2为乘以相应比例因子后的实际输出的控制量。1、输入变量的模糊化、量化等级和隶属函数仿生机器鱼游动方向偏差e，偏差范围定为，规定向右偏为正，向左偏为负；量化因子定为k1＝6/|emax|；将e量化为论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值，并按一定隶属度关系使该值与模糊变量E的7个语言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相对应，隶属函数如下表1(该隶属函数可在实际控制时修正) 表1仿生机器鱼游动方向偏差E的隶属函数 仿生机器鱼游动方向偏差变化率ec，偏差范围定为，规定向右偏为正，向左偏为负；量化因子定为k2＝6/|ecmax|；将ec量化为论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值，并按一定隶属度关系使该值与模糊变量EC的7个语言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相对应，隶属函数如下表2(该隶属函数可在实际控制时修正) 表2仿生机器鱼游动方向偏差变化率EC的隶属函数 2、输出变量的解模糊、量化等级和隶属函数u为用于仿生机器鱼方向控制的关节的转动角度，其范围为；比例因子定为k3＝|umax|/6，在最终控制量输出时使用；将控制量u的论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}中的值按一定隶属度关系与模糊变量U的7个语言取值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}相对应，其(该隶属函数可在实际控制时修正)。隶属函数为图4所示的三角形函数3、模糊控制规则和模糊控制查询表总结模糊控制经验可得下面的模糊控制规则表(表3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法，包括步骤：计算偏差ｅ和偏差变化率ｅｃ；将ｅ和ｅｃ模糊化；确定控制量；给出精确控制量；精确控制量乘以比例因子，然后输出控制量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王硕，陈尔奎，喻俊志，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：11[中国|北京]