[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

说明书

一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法，属于仿生机器人控制领域。现有的非线性振荡器在仿生机器人的节奏性运动控制存在频率和幅值的收敛速度慢的问题，且缺少相应的速度控制方法。一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法，设计仿生水母动力模型；建立仿生水母各关节的振荡器模型，改变振荡器的波形；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，实现仿生水母运动的控制，根据运动控制绘制频率与平均速度变化曲线，找到对应的运动频率，推算周期性速度变化曲线作为期望速度；按照期望速度控制速度。本发明算法对仿生水母的运动收敛性好，能稳定控制运动速度。

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人的控制方法，特别涉及一种仿生水母的运动控制和速度控制方法。

背景技术

相比其他鱼类，水母具有体积小，重量轻，柔韧性高，代谢率低等特点，能有效利用水流的波动运动。利用这些特征，人们开始对仿生水母的研究感兴趣，旨在开发仿生水母样机。

在工程上仿生水母也有很多重要的应用场景。仿生水母可以在环境复杂的水域进行作业并且还具有很大的腔内空间可以用于放置仪器设备，在海洋生物考察、海洋救援、海洋资源勘探等场景下扮演着重要的角色。此外，仿生水母具有更低的噪音、更强的隐蔽性及运动稳定性的特点，在探测侦查中不易被发现，相比于其他水下机器人具有显著的优势。

仿生机器人在时序和空间上的协调运动是研究的两个核心问题，对于该问题通常是对生活中的生物运动的规律进行总结提取出运动模型。现代神经学发现高等动物的呼吸、行走等本能的有一定节奏性的行为是位于神经系统中层的脊髓和脑干的中枢神经模式产生器发出的指令。随着仿生学的发展，我们用耦合的非线性振荡器来模拟中枢神经模式产生器(Central pattern generators，CPGs)发出的指令用于控制仿生机器人的节奏性的运动。耦合的非线性振荡器常见的有用于仿生蝾螈、仿生鱼、仿生蛇等运动控制。

国内外对于仿生水母的控制方法研究较少。因此本发明专利设计了一种针对仿生水母类水下机器人的运动控制方法。

另外，随着科技的发展，仿生学越来越受到人们的关注。仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学。仿生学通过观察、模拟、制作生物的外形、运动机构、控制方式、推进原理来达到在传统工业中改进或者创新的原有技术的目的。由于水下生物通过千万年的进化，具有了在水下长时间生活的能力和特性。如果将水下生物所具有的特性，通过设计制作集成到水下机器人中，可以使得水下机器人同样具有良好的续航能力、较低的噪音等优良特性。

在水下生物的推进模式中，摆动推进较为常见，而喷射推进的方式则更为原始。水母通过喷射推进具有良好的平稳性以及灵活的运动能力，水母喷射推进的方式越来越得到大家的关注，人们开始研究仿生水母。相比其他鱼类，水母具有体积小，重量轻，柔韧性高，代谢率低等特点，能有效利用水流的波动运动。利用这些特征，人们开始对仿生水母的研究感兴趣，旨在开发仿生水母样机。

在工程上仿生水母也有很多重要的应用场景。仿生水母可以在环境复杂的水域进行作业并且还具有很大的腔内空间可以用于放置仪器设备，在海洋生物考察、海洋救援、海洋资源勘探等场景下扮演着重要的角色。此外，仿生水母具有更低的噪音、更强的隐蔽性及更好的运动稳定性的特点，在探测侦查中不易被发现，相比于其他水下机器人具有显著的优势。

由于仿生水母具有上述特征，研究人员开始关注仿生水母的发展以及研制，并开发了一些仿生水母样机。国内外出现了几种适用于仿生水母的运动控制方法，实现了仿生水母的直线运动、转向运动等运动方式，但是由于仿生水母运动的周期变化特性，速度、加速度等指标都存在周期性变化特点，还没有一种仿生水母速度控制的方法。

因此本发明专利基于中枢模式发生器(Central pattern generators，CPG)技术设计一种针对仿生水母类水下机器人的速度控制方法。

发明内容