一种仿蝠鲼水下航行器CPG梯形波控制方法专利检索-一般的控制或调节系统这种系统的功能单元用于这种系统或单元的监视或测试装置专利检索查询-专利查询网

一种仿蝠鲼水下航行器CPG梯形波控制方法
申请号	CN202310524189.3	申请日	2023-05-11	公开(公告)号	CN116974189B	公开(公告)日	2024-05-10
申请人	西北工业大学宁波研究院;			发明人	曹永辉; 殷中华; 曹勇; 潘光;
摘要	本发明涉及水下无人航行器控制系统领域，具体的说，设计一种CPG梯形波控制方法。该方法是在传统的控制方法基础上，通过引入CPG输出低通方程来实现CPG梯形波输出。利用本发明所述的梯形波控制方法，当需进行左转弯时，将航行器右侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，左侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现左转弯。当需进行右转弯时，将航行器左侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，右侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现右转弯。
权利要求	1.一种仿蝠鲼水下航行器CPG梯形波控制方法，其特征在于，所述控制方法的表达式为：第一个方程为振幅方程，ai表示幅值，γi表示控制振幅收敛速度的正常数，Ai表示期望振幅；第二个方程为相位方程，和分别表示第i、j个单元的相位，fi表示固有频率，ωij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，表示期望相位差；第三个方程为CPG输出低通方程，θi表示输出值，其中ai、γi、、ωij为状态参数，Ai、fi、为输入的控制参数，x为低通函数输入变量；第四个方程为输出值θi的表达，其中ALi表示设定的低通参数。 2.如权利要求1所述的CPG梯形波控制方法在仿蝠鲼水下航行器仿生运动控制中的应用方法，其特征在于：当仿蝠鲼水下航行器需进行左转弯时，将航行器右侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，左侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现左转弯；当仿蝠鲼水下航行器需进行右转弯时，将航行器左侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，右侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现右转弯。
说明书全文	一种仿蝠鲼水下航行器CPG梯形波控制方法 [0001] 所属领域 [0002] 本发明涉及水下无人航行器控制系统领域，具体的说，设计一种CPG梯形波控制方法。背景技术 [0003] 随着人工智能和机器人技术的快速发展，仿生机器人的应用领域也越来越广。仿生机器人具有较强的环境适应能力，在资源勘探、环境监测等领域具有广阔的应用前景。仿蝠鲼水下航行器结合海洋生物蝠鲼的柔性推进机理，采用中央模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)运动控制模型对航行器进行贴近生物运动行为的控制,从而实现航行器前游、转弯、滑扑一体等多种模态，可以进行广域粗维度、定点细维度的水下观测，适用于海洋环境监测和军事领域的探测。 [0004] CPG控制方法具有较强鲁棒性，在对其模型参数进行修改时，控制信号可实现顺滑过渡。CPG中常见的控制方法形式简单且控制参数的物理意义明确，既能控制振荡器输出幅值，又能控制各振荡器单元间的相位差，很好的满足了仿生鱼多运动结构耦合应用方面的需求。因此，仿蝠鲼水下航行器常采用CPG控制方法来模拟胸鳍结构的节律运动，实现水下多种模态游动。然而传统的CPG控制方法输出信号为正弦波，与生物本身运动有所不同，且由于仿蝠鲼航行器柔性胸鳍的复杂结构，采用正弦波控制输出无法使航行器胸鳍推力最大化，故需要设计一种新的CPG梯形波控制方法。发明内容： [0005] 本发明的目的是： [0006] 1、改进新的CPG梯形波控制方法以实现大推力输出增加航行器机动性，提高运动效率； [0007] 2、通过控制航行器左右胸鳍装置使用不同CPG梯形波控制方法以实现航行器转弯功能； [0008] 本发明的技术方案是： [0009] 传统的控制方法如下，其输出的信号是对称的余弦信号， [0010] [0011] 其中，第一个方程为振幅方程，ai表示幅值，γi表示控制振幅收敛速度的正常数，Ai表示期望振幅；第二个方程为相位方程，和分别表示第i、j个单元的相位，φi表示第i个单元的相位，fi表示固有频率，ωij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，表示期望相位差；第三个方程为输出方程，θi表示输出值。其中ai、γi、、ωij为状态参数，Ai、fi、为输入的控制参数。 [0012] 本发明通过引入CPG输出低通方程来实现CPG梯形波输出，低通函数如下： [0013] [0014] θi＝f(θi,ALi) [0015] 其中θi表示输出值，ALi表示设定的低通参数，x为低通函数输入变量； [0016] 将低通方程引入传统的CPG控制方法中，得到改进后CPG梯形波控制方法为： [0017] [0018] 通过设定ALi即可改变CPG参数输出从而将正弦输出信号转换为梯形波信号以增大相位差保留时间，使仿蝠鲼航行器胸鳍最大变形时间增大，使胸鳍推力提高，从而提高仿蝠鲼航行器的推进能力及进效率，改变ALi的大小即可改变梯形波输出信号宽度以调节推力大小。 [0019] 仿蝠鲼水下航行器由左右胸鳍装置进行运动控制，当要实现航行器进行左、右转弯时，传统的CPG控制方法是改变左右幅值大小和相位差大小来进行转弯，本发明通过改变左右胸鳍装置的CPG控制波形来实现。 [0020] 利用本发明所述的梯形波控制方法，当需进行左转弯时，将航行器右侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，左侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现左转弯。当需进行右转弯时，将航行器左侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，右侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现右转弯。 [0021] 本发明的有益效果： [0022] 本发明设计了一种CPG梯形波控制方法，提高了仿蝠鲼水下航行器胸鳍推力，提高了航行器的运动推进能力及效率，延长了航行器的游动距离。同时基于本发明所述的CPG梯形波控制方法提出了一种仿蝠鲼水下航行器转弯策略，改变了航行器传统控制方式，提高航行器转弯能力。附图说明： [0023] 图1是传统CPG模式波形图； [0024] 图2是改进后梯形波CPG波形图； [0025] 图3是仿蝠鲼CPG网络连接示意图； [0026] 图4实施实例中在水池中搭建一推力测试装置实景图； [0027] 图5是实施实例中推力折线对比图。具体实施例： [0028] 传统的控制方法如下，其输出的信号是对称的余弦信号， [0029] [0030] 其中，第一个方程为振幅方程，ai表示幅值，γi表示控制振幅收敛速度的正常数，Ai表示期望振幅；第二个方程为相位方程，表示第i个单元的相位，fi表示固有频率，ωij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，表示期望相位差；第三个方程为输出方程，θi表示输出值。其中ai、γi、、ωij为状态参数，Ai、fi、为输入的控制参数。 [0031] 本实施例通过引入CPG输出低通方程来实现CPG梯形波输出，低通函数如下： [0032] [0033] θi＝f(θi,ALi) [0034] 其中θi表示输出值，ALi表示设定的低通参数，x为低通函数输入变量； [0035] 将低通方程引入传统的CPG控制方法中，得到改进后CPG梯形波控制方法为： [0036] [0037] 通过设定ALi即可改变CPG参数输出从而将正弦输出信号转换为梯形波信号以增大相位差保留时间，使仿蝠鲼航行器胸鳍最大变形时间增大，使胸鳍推力提高，从而提高仿蝠鲼航行器的推进能力及进效率，改变ALi的大小即可改变梯形波输出信号宽度以调节推力大小。 [0038] 仿蝠鲼水下航行器由左右胸鳍装置进行运动控制，当要实现航行器进行左、右转弯时，传统的CPG控制方法是改变左右幅值大小和相位差大小来进行转弯，本发明通过改变左右胸鳍装置的CPG控制波形来实现。 [0039] 利用本实施例所述的梯形波控制方法，当需进行左转弯时，将航行器右侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，左侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现左转弯。当需进行右转弯时，将航行器左侧胸鳍装置设定为传统正弦波输出控制，右侧胸鳍装置设定为CPG梯形波输出控制从而增大左侧推力以实现右转弯。 [0040] 本实施例根据仿蝠鲼航行器真实电机分布情况，在水池中搭建一推力测试装置，用高精度六分量天枰测试不同驱动方式所产生的推力大小，实际工况图图4所示； [0041] 参阅图5的实验数据推力折线图，使用本发明提出的CPG梯形波控制方法，即低通推力和无低通推力的对比结果表明，采用梯形波驱动方式所产生的推力比采用原始正弦波驱动方式所产生推力要大。

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