[发明专利]一种精确控制机器鱼关节运动的方法

说明书

本发明公开了一种精确控制机器鱼关节运动的方法，本发明以机器鱼原始运动学模型为基础，在考虑鱼头晃动的条件下推导出机器鱼尾部运动学模型，可以以此为基础研究减小机器鱼头部晃动的方法；用最小误差法拟合得到各关节的运动方程，控制结果精确，使机器鱼的游动姿态更加接近真实鱼类的游动姿态，从而提高机器鱼的游动姿态更加柔和，且提高游动速度和效率。为研究和分析机器鱼的运动姿态提供了运动学模型，进而使机器鱼具备良好的推进性能。

技术领域

本发明涉及机器鱼技术领域，特别是一种精确控制机器鱼关节运动的方法。

背景技术

生物学家通过对鱼类的研究，总结得到鱼类在稳态巡游的过程中会产生一种行波。这种波从鱼体躯干的波动起点向尾部传播，且波幅逐渐增大，称之为鱼体波。为了获得机器鱼游动时鱼体波的参数化模型，需要对机器鱼模型进行简化。机器鱼沿其体干方向，体厚成对称分布，因此将机器鱼的体干抽象成其体厚方向的对称中心线，并以此作为机器鱼运动曲线的研究对象，如图1所示。根据Lighthill提出的细长体理论，鱼体波由一个多项式和正弦曲线合成来近似描述，即：

f_B(x,t)＝(c₁x+c₂x²)sin(ωt+kx)

该方程建立在机器鱼运动过程中头部始终平行于游动方向，然而实际上由于机器鱼制造工艺、鱼体比例配置、惯性以及反作用力等各方面影响，机器鱼鱼头并不是保持不动，其在中心线两侧具有小幅度晃动。因此机器鱼游动过程中头部晃动是目前机器鱼制造上普遍存在的问题，其不可能完全消除只能尽可能减小其晃动的幅度，因此上述细长体理论的鱼体波方程精确控制机器鱼关节运动的方法，得到的控制结果并不精确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供用精确控制机器鱼关节运动的方法，先用鱼体波基础方程推导出机器鱼尾部运动方程f_T(x,t)，用该方程绘制尾部运动曲线，再用该曲线采用数值逼近法得到各个关节实际需要转动的角度，即后一关节相对于前一关节偏转的角度，去拟合得到多关节机器鱼的尾部运动方程。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种精确控制机器鱼关节运动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，以机器鱼原始运动学模型f_B(x,t)为基础，在考虑鱼头晃动的条件下，建立机器鱼尾部运动方程f_T(x,t)：

f_T(x,t)＝[c₁(x-m)+c₂(x-m)²]sin[ωt+k'(x-m)]-c₁sin(ωt)(x-m)

其中：f_T(x,t)为鱼体的横向位移；c₁为鱼体波波幅包络线的一次项系数；c₂为鱼体波波幅包络线的二次项系数；m为机器鱼鱼头的晃动中心距离头部与尾部运动关节连接点的距离；ω为鱼体波频率；k'为鱼体波波数，k'＝2π/λ，λ为鱼体波波长；

步骤二，将步骤一中的机器鱼尾部运动方程离散成随时间变化的N个尾部运动姿态F_T(x,i)(i＝0......N)，据此方程绘制出机器鱼巡游时某一时刻的运动姿态曲线，以及对应这个运动姿态的鱼尾部运动曲线；

步骤三，假设机器鱼共有k个关节，对步骤二得到的鱼尾部运动曲线，用数值逼近和最小误差法得到机器鱼各个关节在该时刻的运动姿态下实际需要转动的角度，并建立角度控制方程：

其中：j＝1...k，a_j为每个关节转动的摆动幅值；为每个关节转动的初始相位值；

优选地，所述机器鱼共有三个关节。