[发明专利]一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法

权利要求书

1.基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、设计仿生水母动力模型；

步骤二、建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形；

步骤三、设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制。

2.根据权利要求1所述的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，设计仿生水母动力模型的过程为：

步骤一一、设计具有一组触手的仿生水母，按照真实水母的每个运动情况设计仿生水母的每个运动周期，由舵机为仿生水母提供运动的动力：

当舵机带动机械臂收缩时，拉动机械臂收缩到最小半径处，仿生水母腔内体积减小，产生向后排水的效果，通过机械臂排水的方式使得仿生水母得到向前的推进力，从而推进仿生水母前进；

当舵机带动机械臂舒张时，拉动机械臂回到舒张最大半径位置，仿生水母腔内体积增大，仿生水母一个运动周期结束；

对仿生水母发送周期性运动控制信号，仿生水母即进行周期性收缩舒张运动；

步骤一二、仿生水母在水下受到推进力、流体阻力、附加质量力、惯性力的作用，综合上述受力情况得到仿生水母在运动过程中受力平衡方程为：

T＝D+G+F (1)

其中，T表示推进力，是仿生水母排出水产生的与排水方向相反的推进力；D表示流体阻力，是流体阻碍水母运动时产生的阻力；G表示附加质量力，是仿生水母运动姿态改变时带动四周流体加速引起的作用力；F表示惯性力，是仿生水母具有的惯性，为使仿生水母保持原有运动姿态的倾向，这种倾向表示为惯性作用力：

D(t)＝0.5C_d(t)ρS(t)v²(t) (3)

其中，t表示时间，Δt表示时间变化量，ΔV表示仿生水母腔内流体体积变化量，d(V)表示对V取微分，d(v)表示对v取微分；

将式(1)-(5)联立，得到仿生水母动力学方程：

式中，C_d(t)表示形状阻力系数，λ(t)表示附加阻力系数；且：

形状阻力系数

附加阻力系数

步骤一三、设计仿生水母各项尺寸参数：

侧面积、腔内液体体积，投影面积表达式如下：

z₂(t)＝l₁sin(θ₁(t))+z₁ (11)

z₃(t)＝l₂sin(θ₂(t))+z₂(t) (12)

d(t)＝max(2z₂(t),2z₃(t)) (13)

h(t)＝h₁(t)+h₂(t)+z₁ (14)

h₁(t)＝l₁cos(θ₁(t)) (15)

h₂(t)＝l₂cos(θ₂(t)) (16)

其中，θ₁∈(0°～90°),θ₂∈(-45°～90°)；T表示推力；D表示流体阻力；G表示附加质量力；F表示惯性力；ρ表示所处流体密度；V表示仿生水母的腔内含流体体积；S_v表示仿生水母侧截面面积；C_d表示形状阻力系数；S表示为仿生水母投影面积；v表示仿生水母运动速度；λ表示附加阻力系数；m表示水母质量；d(t)表示钟状体直径；h(t)表示钟状体高度；C_f,lam(t)表示表面摩擦阻力系数；Re(t)表示雷诺数；ν'表示流体运动粘度；τ表示调整切换速度的正时间常数；S(τy)表示单极S型函数，e^-τy表示仿真形状为单极S型的函数；z₁表示半球形头部半径；l₁表示上臂长；h₁表示上臂在中心线上的投影；z₂表示上臂绕中心线画圆半径；θ₁表示上臂与中心线夹角；l₂表示下臂长；h₂表示下臂在中心线上的投影；z₃表示下臂绕中心线画圆半径；θ₂表示下臂与中心线夹角；k表示仿生水母收缩时间与舒张时间的比值。