一种水下双模式机器人的制造技术

一种水下双模式机器人的

【技术实现步骤摘要】
一种水下双模式机器人的CPG控制系统及控制模式切换方法


[0001]本专利技术属于水下双模式机器人控制领域，具体涉及一种水下双模式机器人的
CPG
控制系统及控制模式切换方法
。

技术介绍

[0002]随着人们对海洋的进一步开发，水下作业也呈现出范围广
、
深度大
、
时间长
、
复杂度高等特点
。
而传统水下无人航行器不能同时进行水下巡检和水下作业，只能依靠搭载侧扫声呐的自主水下航行器
(AUV)
进行大范围巡检，发现目标后再通过母船释放遥控水下航行器
(ROV)
下潜至目标点进行水下作业
。
因此，已经有技术人员开发出了一款集游动和爬行功能为一体的新型水下双模式机器人，巡检时以胸鳍和尾鳍配合提供动力，爬行时采用六足结构
。
[0003]水下双模式机器人关节自由度多，需要多自由度协调控制
。
中枢模式发生器
(CPG)
是在动物脊髓中发现的一种无需大脑参与即可产生节律性运动的控制单元，受到这一现象的启发，越来越多的工程师们用
CPG
来控制机器人的运动
。
另外，水下双模式机器人需要根据任务需要在游动模式和爬行模式之间切换，但是现有控制系统是通过直接改变
CPG
参数的方式来切换控制模式，会在产生信号时发生瞬间跳跃而引起执行器抖振，这样会对机器人的机械结构和驱动电机造成不可逆的损害/>。
[0004]综上所述，现有控制系统会在模式切换时产生信号突变而引起执行器抖振，另外，现有控制系统的控制性能较差，提出一种新的水下双模式机器人的控制方法是十分必要的
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为解决现有水下双模式机器人控制系统的控制性能差的问题，而提出了一种水下双模式机器人的
CPG
控制系统及控制模式切换方法
。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
[0007]基于本专利技术的一个方面，一种水下双模式机器人的
CPG
控制系统，所述
CPG
控制系统包括控制水下双模式机器人爬行的第一
CPG
控制网络
、
控制水下双模式机器人游动的第二
CPG
控制网络
、
第一映射模块
、
腿部关节旋转角度计算模块和第二映射模块；
[0008]所述第一
CPG
控制网络用于产生水下双模式机器人足端空间轨迹的原始爬行控制信号，原始爬行控制信号经过第一映射模块后，转化为水下双模式机器人腿部足端的空间轨迹坐标；
[0009]所述腿部关节旋转角度计算模块用于根据水下双模式机器人腿部足端的空间轨迹坐标计算腿部关节的旋转角度；
[0010]所述第二
CPG
控制网络用于产生水下双模式机器人左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍原始游动控制信号，左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍原始游动控制信号经过第二映射模块后，转化为游动所需的左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍关节的旋转角度；
[0011]根据腿部关节的旋转角度以及左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍关节的旋转角度对水下双模式机器人进行控制
。
[0012]进一步地，所述第一
CPG
控制网络包括六个振荡器单元，所述第二
CPG
控制网络包括三个振荡器单元
。
[0013]进一步地，所述第一
CPG
控制网络和第二
CPG
控制网络的表达式为：
[0014][0015]其中，
σ
i
为第
i
个振荡器单元的输出，是
σ
i
的一阶导数，
x
i
和
y
i
是第
i
个振荡器单元的状态变量，
i
＝
1,2,
…
,9
，是
x
i
的一阶导数，是
y
i
的一阶导数，上角标
T
代表转置，
α
是正的常数，和
ω
i
分别是第
i
个振荡器单元的幅值和频率，
b
i
代表第
i
个振荡器单元相对于平衡点
(0,0)
的偏移量，
k
是耦合强度，是第
i
个振荡器单元和第
j
个振荡器单元的相位差，是第
i
个振荡器单元的相位，是第
j
个振荡器单元的相位，
σ
C
＝
σ
i
，
i
＝
1,2,
…
,6
表示第一
CPG
控制网络，
σ
S
＝
σ
i
，
i
＝
7,8,9
表示第二
CPG
控制网络
。
[0016]进一步地，所述原始爬行控制信号经过第一映射模块后，转化为水下双模式机器人腿部足端的空间轨迹坐标；具体为：
[0017]定义对原始爬行控制信号
(x
i
,y
i
),i
＝
1,
…
,6
进行映射，得到水下双模式机器人的腿部足端空间轨迹坐标：
[0018][0019]其中，和分别是水下双模式机器人的第
i
条腿的足端在质心坐标系中的空间坐标，
x
i0
、y
i0
和
z
i0
分别是水下双模式机器人的第
i
条腿的足端初始状态在质心坐标系中的空间坐标，
δ
xi
、
δ
yi
和
δ
zi
分别是水下双模式机器人的第
i
条腿在质心坐标系的
x、y
和
z
轴方向上的步长系数
。
[0020]进一步地，所述左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍原始游动控制信号经过第二映射模块后，转化为游动所需的左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍关节的旋转角度；具体为：
[0021]定义对原始游动控制信号
x
i
,i
＝
7,8,9
进行映射：
[0022][0023]其中，
θ
FL
，
θ
FR
和
θ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种水下双模式机器人的
CPG
控制系统，其特征在于，所述
CPG
控制系统包括控制水下双模式机器人爬行的第一
CPG
控制网络
、
控制水下双模式机器人游动的第二
CPG
控制网络
、
第一映射模块
、
腿部关节旋转角度计算模块和第二映射模块；所述第一
CPG
控制网络用于产生水下双模式机器人足端空间轨迹的原始爬行控制信号，原始爬行控制信号经过第一映射模块后，转化为水下双模式机器人腿部足端的空间轨迹坐标；所述腿部关节旋转角度计算模块用于根据水下双模式机器人腿部足端的空间轨迹坐标计算腿部关节的旋转角度；所述第二
CPG
控制网络用于产生水下双模式机器人左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍原始游动控制信号，左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍原始游动控制信号经过第二映射模块后，转化为游动所需的左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍关节的旋转角度；根据腿部关节的旋转角度以及左胸鳍
、
右胸鳍和尾鳍关节的旋转角度对水下双模式机器人进行控制
。2.
根据权利要求1所述的一种水下双模式机器人的
CPG
控制系统，其特征在于，所述第一
CPG
控制网络包括六个振荡器单元，所述第二
CPG
控制网络包括三个振荡器单元
。3.
根据权利要求2所述的一种水下双模式机器人的
CPG
控制系统，其特征在于，所述第一
CPG
控制网络和第二
CPG
控制网络的表达式为：其中，
σ
i
为第
i
个振荡器单元的输出，是
σ
i
的一阶导数，
x
i
和
y
i
是第
i
个振荡器单元的状态变量，
i
＝
1,2,
…
,9
，是
x
i
的一阶导数，是
y
i
的一阶导数，上角标
T
代表转置，
α
是正的常数，和
ω
i
分别是第
i
个振荡器单元的幅值和频率，
b
i
代表第
i
个振荡器单元相对于平衡点
(0,0)
的偏移量，
k
是耦合强度，是第
i
个振荡器单元和第
j
个振荡器单元的相位差，是第
i
个振荡器单元的相位，是第
j
个振荡器单元的相位，
σ
C
＝
σ
i
，
i
＝
1,2,
…
,6
表示第一
CPG
控制网络，
σ
S
＝
σ
i
，
i
＝
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，宫庆硕，杨皓宇，孙瑞池，田鸿宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：