仿生机器鱼运动控制方法、装置和仿生机器鱼制造方法及图纸

本申请实施例提供一种仿生机器鱼运动控制方法、装置和仿生机器鱼，该方法包括：根据期望的前进速度和转向速度，确定仿生机器鱼各个关节的相关控制参数；将所述相关控制参数输入至仿生机器鱼的运动控制模型中进行参数平滑过渡预处理和角度闭环控制运算，以得到各个关节的目标转动角度；其中，所述运动控制模型包括基于预设振荡器构成的中枢模式发生器网络，所述中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算；根据目标转动角度控制仿生机器鱼的各个关节舵机，以使仿生机器鱼执行期望动作。该方法可以让运动控制模型中的振荡器输入参数进行快速平滑的切换，从而兼顾网络输出的快速性与平滑性等。快速性与平滑性等。快速性与平滑性等。

【技术实现步骤摘要】
仿生机器鱼运动控制方法、装置和仿生机器鱼


[0001]本申请涉及仿生机器鱼
，尤其涉及一种仿生机器鱼运动控制方法、装置和仿生机器鱼。

技术介绍

[0002]传统杆型的水下仿生机器鱼常采用中枢模式发生器（简称CPG）算法进行控制，此时对于机器鱼的每个关节可采用霍普夫（hopf）振荡器来模拟每个关节的节律运动，其中，hopf振荡器的优点在于其具有稳定的状态输出，并且可以以任意状态开始输出，不需要外部起振信号，而且最终状态输出都会稳定到极限环上。根据hopf振荡器构成的CPG网络已经可以使机器鱼相关参数在变化的时候相对平滑的过渡，然而在实际应用中，若当前CPG网络在参数剧烈变化的时候，尤其是幅值与频率参数发生突变时，却无法同时兼顾hopf振荡器的快速收敛与平滑特性，影响了机器鱼关节的寿命以及增加功耗等。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本申请实施例提供一种仿生机器鱼运动控制方法、装置和仿生机器鱼，可以让运动控制模型中CPG网络的振荡器输入参数进行快速平滑的切换，从而兼顾CPG网络输出的快速性与平滑性等。
[0004]第一方面，本申请实施例提供一种仿生机器鱼运动控制方法，所述仿生机器鱼的每个关节均采用预设振荡器进行节律运动模拟，所述方法包括：根据期望的前进速度和转向速度，确定所述仿生机器鱼各个关节的相关控制参数；将所述相关控制参数输入至所述仿生机器鱼的运动控制模型中进行参数平滑过渡预处理和角度闭环控制运算，以得到所述仿生机器鱼各个关节的目标转动角度；其中，所述运动控制模型包括基于所述预设振荡器构成的中枢模式发生器网络，所述中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算；根据所述目标转动角度控制所述仿生机器鱼的各个关节舵机，以使所述仿生机器鱼执行期望动作。
[0005]在一些实施例中，所述相关控制参数包括相应关节的摆动幅值和摆动频率；所述参数平滑过渡预处理包括：利用非线性过渡函数对每个关节的所述摆动频率和所述摆动幅值分别进行平滑处理。
[0006]在一些实施例中，所述仿生机器鱼包括三个采用神经元链式连接的关节，所述相关控制参数还包括连接的两两关节所对应的两个预设振荡器之间的相位耦合强度、以及两两关节之间的相位差；所述角度闭环控制运算包括：将经过归一处理后的摆动幅值、经过平滑处理后的摆动频率、所述相位耦合强度和所述相位差输入到所述中枢模式发生器网络中相应关节的预设振荡器中，以计算得到各
个预设振荡器的中间状态变量；根据所述中间状态变量和经过平滑处理后的所述摆动幅值进行计算，得到各个预设振荡器的状态输出变量；根据各个预设振荡器的所述状态输出变量确定各个关节的目标转动角度。
[0007]在一些实施例中，在构建所述运动控制模型的过程中，还包括：对所述预设振荡器之间的相位耦合强度及关节的摆动频率进行局部解耦，以对基于所述预设振荡器构成的中枢模式发生器网络进行结构改进，得到改进的中枢模式发生器网络；所述改进的中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算。
[0008]在一些实施例中，所述非线性过渡函数基于sigmoid函数构建得到；所述非线性过渡函数的表达式如下：其中，式中，z1和z
in
分别为所述非线性过渡函数的输出量和输入量，
ż1为所述输出量的导数，δ为sigmoid函数的线性区间系数，β为收敛增益。
[0009]在一些实施例中，所述预设振荡器的表达式如下：；式中，x和y为所述预设振荡器的两个中间状态变量，
ẋ
和
ẏ
为所述两个中间状态变量对应的导数，k为所述预设振荡器的极限环收敛速度系数，NL( )表示所述非线性过渡函数，f为关节的摆动频率，和分别为第一收敛增益和第一线性区间系数，A为关节的摆动幅值，和分别为第二收敛增益和第二线性区间系数，x
out
和y
out
为所述预设振荡器的两个状态输出变量。
[0010]在一些实施例中，所述改进的中枢模式发生器网络的表达式如下：；式中，x
i
和y
i
为第i个预设振荡器的中间状态变量，x
outi
和y
outi
为第i个预设振荡器
的状态输出变量，为两个预设振荡器之间的相位耦合强度，为第i个关节到第j个关节的相位差，θ
i
为第i个关节的目标转动角度，A
i
为第i个关节的摆动幅值。
[0011]第二方面，本申请实施例还提供一种仿生机器鱼运动控制装置，所述仿生机器鱼的每个关节均采用预设振荡器进行节律运动模拟，所述装置包括：参数确定模块，用于根据期望的前进速度和转向速度，确定所述仿生机器鱼各个关节的相关控制参数；角度计算模块，用于将所述相关控制参数输入至所述仿生机器鱼的运动控制模型中进行参数平滑过渡预处理和角度闭环控制运算，以得到所述仿生机器鱼各个关节的目标转动角度；其中，所述运动控制模型包括基于所述预设振荡器构成的中枢模式发生器网络，所述中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算；关节控制模块，用于根据所述目标转动角度控制所述仿生机器鱼的各个关节舵机，以使所述仿生机器鱼执行期望动作。
[0012]第三方面，本申请实施例还提供一种仿生机器鱼，所述仿生机器鱼包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以实施上述的仿生机器鱼运动控制方法。
[0013]第四方面，本申请实施例还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上执行时，实施上述的仿生机器鱼运动控制方法。
[0014]本申请的实施例具有如下有益效果：本申请实施例的仿生机器鱼运动控制方法通过对仿生机器鱼的关节所采用的用于节律运动模拟的振荡器进行结构改进，以对输入的控制参数进行平滑过渡预处理，并基于改进后的振荡器结构构成的CPG网络进行角度闭环控制运算，以使得振荡器能快速且平滑的过渡到新的极限环平衡状态，实现了运动控制模型的输出能够响应迅速且平滑变化，降低了系统功耗，还延长了机器鱼各个关节的使用寿命等。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0016]图1示出了本申请实施例的仿生机器鱼的结构示意图；图2示出了本申请实施例的仿生机器鱼的一种实物图；图3示出了具有三关节杆型的仿生机器鱼所构建的一种基于振荡器构建的CPG网络结构；图4示出了hopf振荡器在增大k时产生的跳变仿真图和在幅值A改变时产生的震荡仿真图；图5示出了在不同收敛增益下一阶低通滤波器与本申请实施例提出的NL函数的平滑对比图；图6示出了采用本申请实施例提出的改进振荡器在增大K和改变A时的仿真图；图7示出了基于hopf振荡器构成的CPG网络和基于本实施例提出的改进的CPG网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述仿生机器鱼的每个关节均采用预设振荡器进行节律运动模拟，所述方法包括：根据期望的前进速度和转向速度，确定所述仿生机器鱼各个关节的相关控制参数；将所述相关控制参数输入至所述仿生机器鱼的运动控制模型中进行参数平滑过渡预处理和角度闭环控制运算，以得到所述仿生机器鱼各个关节的目标转动角度；其中，所述运动控制模型包括基于所述预设振荡器构成的中枢模式发生器网络，所述中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算；根据所述目标转动角度控制所述仿生机器鱼的各个关节舵机，以使所述仿生机器鱼执行期望动作。2.根据权利要求1所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述相关控制参数包括相应关节的摆动幅值和摆动频率；所述参数平滑过渡预处理包括：利用非线性过渡函数对每个关节的所述摆动频率和所述摆动幅值分别进行平滑处理。3.根据权利要求2所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述仿生机器鱼包括三个采用神经元链式连接的关节，所述相关控制参数还包括连接的两两关节所对应的两个预设振荡器之间的相位耦合强度、以及两两关节之间的相位差；所述角度闭环控制运算包括：将经过归一处理后的摆动幅值、经过平滑处理后的摆动频率、所述相位耦合强度和所述相位差输入到所述中枢模式发生器网络中相应关节的预设振荡器中，以计算得到各个预设振荡器的中间状态变量；根据所述中间状态变量和经过平滑处理后的所述摆动幅值进行计算，得到各个预设振荡器的状态输出变量；根据各个预设振荡器的所述状态输出变量确定各个关节的目标转动角度。4.根据权利要求3所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，在构建所述运动控制模型的过程中，还包括：对所述预设振荡器之间的相位耦合强度及关节的摆动频率进行局部解耦，以对基于所述预设振荡器构成的中枢模式发生器网络进行结构改进，得到改进的中枢模式发生器网络；所述改进的中枢模式发生器网络用于执行所述角度闭环控制运算。5.根据权利要求2至4中任一项所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述非线性过渡函数基于sigmoid函数构建得到；所述非线性过渡函数的表达式如下：其中，式中，z1和z
in
分别为所述非线性过渡函数的输出量和输入量，
ż1为所述输出量的导数，δ为sigmoid函数的线性区间系数，β为收敛增益。6.根据权利要求2至4中任一项所述的仿生机器鱼运动控制方法，其特征在于，所述预设振荡器的表达式如下：
；式中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：田辰，王娇，
申请(专利权)人：北京晟海汇泽科技有限公司，
类型：发明
国别省市：