機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及仿生學(xué)領(lǐng)域，更具體地涉及一種機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，很多魚(yú)類具有快速游動(dòng)的能力?？焖俚挠蝿?dòng)不僅可以幫助 魚(yú)類逃避敵害，也有助于捕食其他魚(yú)類，魚(yú)類快速游動(dòng)機(jī)制是很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研宄 的重要領(lǐng)域?；诳焖儆蝿?dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)的研宄具有重要的研宄價(jià)值和應(yīng)用前景，特別是 在復(fù)雜環(huán)境中的水下作業(yè)、軍事偵察、海底勘探、海洋生物研宄等方面前景廣闊。同時(shí)，海豚 可以躍出水面，幫助其換氣和躲避敵害。海豚不但具有快速游動(dòng)的能力，同時(shí)，還具有高超 的運(yùn)動(dòng)技巧。海豚在水下有可以與魚(yú)相媲美的游速及機(jī)動(dòng)性，同時(shí)還能完成躍水等高難度 動(dòng)作，因此，機(jī)器海豚具有很大的研宄價(jià)值，其游動(dòng)、躍水等控制受到越來(lái)越多學(xué)者的重視。
[0003] 在獲得高游速方面，許多研宄者做了大量的工作。對(duì)于國(guó)外的研宄系統(tǒng)，游泳速度 比較快的機(jī)器魚(yú)包括日本船舶公司的UPF-2001、PF-700機(jī)器魚(yú)等等，它們是針對(duì)魚(yú)類快速 游動(dòng)的特征設(shè)計(jì)的，其游泳速度均可達(dá)1倍體長(zhǎng)/秒。目前有文獻(xiàn)可查的最高游速為北航 的SPC-II型機(jī)器魚(yú)，其最高游速可達(dá)1. 2倍體長(zhǎng)/秒。但這仍與海豚或魚(yú)類的游速有一定 差距，更難以實(shí)現(xiàn)躍水等以高游速為前提的高難度動(dòng)作。在躍水方面，由于現(xiàn)有的機(jī)器魚(yú)及 機(jī)器海豚的游速普遍偏低，因此尚未見(jiàn)有成功的實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)。但是在非仿生推進(jìn)的前提下，則 有以螺旋槳為動(dòng)力的SeabreacherX系列等載人潛水器能夠模仿海豚的躍水動(dòng)作，不過(guò)目 前尚沒(méi)有仿生推進(jìn)下的機(jī)器魚(yú)或機(jī)器海豚躍出水面的報(bào)告。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的之一是設(shè)計(jì)一種仿生機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，從 而可以使機(jī)器海豚達(dá)到每秒數(shù)倍體長(zhǎng)的高速度，并以此為基礎(chǔ)完成躍出水面的動(dòng)作。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng) 控制方法，所述運(yùn)動(dòng)控制方法采用攻角算法來(lái)控制所述機(jī)器海豚尾鰭的拍打動(dòng)作，從而使 所述機(jī)器海豚加速游動(dòng)，其中
[0006] 根據(jù)所述機(jī)器海豚尾鰭獲得的升力和阻力的關(guān)系，在所述機(jī)器海豚尾鰭的拍打運(yùn) 動(dòng)時(shí)，將所述機(jī)器海豚的攻角控制在最佳角度，從而最大化推進(jìn)力；以及
[0007] 在所述機(jī)器海豚尾鰭拍水過(guò)程中，根據(jù)推導(dǎo)出的所述機(jī)器海豚合適的尾關(guān)節(jié)的關(guān) 節(jié)角與俯仰角、腰關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角與游速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，使所述機(jī)器海豚通過(guò)各關(guān)節(jié)俯 仰運(yùn)動(dòng)的配合滿足尾鰭產(chǎn)生的推進(jìn)力F的方向在一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)的大部分時(shí)間都向前。
[0008] 其中，所述機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)至少包括腰關(guān)節(jié)和尾關(guān)節(jié)。
[0009] 其中，所述在機(jī)器海豚尾鰭的拍打運(yùn)動(dòng)時(shí)，將所述機(jī)器海豚的攻角控制在最佳角 度的步驟包括：
[0010] 步驟3. 1為了使游速極大化，攻角應(yīng)該盡量保持為升力系數(shù)最大時(shí)的15° ;
[0011]步驟3. 2當(dāng)尾鰭移動(dòng)角小于1.69°時(shí)，所述機(jī)器海豚的攻角為0°，當(dāng)尾鰭移動(dòng)角 大于5. 71°時(shí)，攻角設(shè)置為15° ;
[0012] 步驟3. 3尾鰭移動(dòng)角在1.69°和5. 71°之間時(shí)，設(shè)計(jì)出一種正弦規(guī)律變化的尾鰭 移動(dòng)角和攻角之間的變化規(guī)律，使攻角在0-15°之間平滑過(guò)渡，結(jié)合步驟3. 2的結(jié)論，攻角 a和尾鰭移動(dòng)角I的關(guān)系為：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，所述運(yùn)動(dòng)控制方法采用攻角算法來(lái)控制所述機(jī)器海 豚尾鰭的拍打動(dòng)作，從而使所述機(jī)器海豚加速游動(dòng)，其中 根據(jù)所述機(jī)器海豚尾鰭獲得的升力和阻力的關(guān)系，在所述機(jī)器海豚尾鰭的拍打運(yùn)動(dòng) 時(shí)，將所述機(jī)器海豚的攻角控制在最佳角度，從而最大化推進(jìn)力；以及 在所述機(jī)器海豚尾鰭拍水過(guò)程中，根據(jù)推導(dǎo)出的所述機(jī)器海豚合適的尾關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角 與俯仰角、腰關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角與游速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，使所述機(jī)器海豚通過(guò)各關(guān)節(jié)俯仰運(yùn) 動(dòng)的配合滿足尾鰭產(chǎn)生的推進(jìn)力F的方向在一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)的大部分時(shí)間都向前。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中所述機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)至 少包括腰關(guān)節(jié)和尾關(guān)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中所述在機(jī)器海豚尾鰭的拍打 運(yùn)動(dòng)時(shí)，將所述機(jī)器海豚的攻角控制在最佳角度的步驟包括： 步驟3. 1為了使游速極大化，攻角應(yīng)該盡量保持為升力系數(shù)最大時(shí)的15° ; 步驟3. 2當(dāng)尾鰭移動(dòng)角小于1.69°時(shí)，所述機(jī)器海豚的攻角為0°，當(dāng)尾鰭移動(dòng)角大于 5. 71°時(shí)，攻角設(shè)置為15° ; 步驟3. 3尾鰭移動(dòng)角在1. 69°和5. 71°之間時(shí)，設(shè)計(jì)出一種正弦規(guī)律變化的尾鰭移動(dòng) 角和攻角之間的變化規(guī)律，使攻角在0-15°之間平滑過(guò)渡，結(jié)合步驟3. 2的結(jié)論，攻角a和 尾鰭移動(dòng)角I的關(guān)系為：
其中1= 1.69°，| 2=5. 71°，a_= 15° ;通過(guò)控制腰關(guān)節(jié)和尾關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角， 使攻角a滿足上面的關(guān)系式； 步驟3. 4機(jī)器海豚腰關(guān)節(jié)的變化規(guī)律根據(jù)魚(yú)類擺動(dòng)身體的情況設(shè)定為正弦變化規(guī)律， 可求得腰關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角9 2，接下來(lái)求出尾關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角； 步驟3. 5設(shè)V。為尾關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系下的速度，它由所述機(jī)器海豚的前進(jìn)速度Vd與腰 關(guān)節(jié)的拍動(dòng)所產(chǎn)生的速度f(wàn)。合成而成，這三個(gè)向量可以構(gòu)成三角形ABC，其中，AB對(duì)應(yīng) V'e，BC對(duì)應(yīng)Vd，AC對(duì)應(yīng)Ve，BC邊的高為AD，02為尾柄與海豚前進(jìn)方向的夾角，尾柄向上時(shí) 為正，表示角速度，用以確定此時(shí)尾柄移動(dòng)的方向；自3為尾鰭與海豚前進(jìn)方向的夾角， 尾鰭向上時(shí)為正，根據(jù)矢量的變化關(guān)系，求出當(dāng)前的尾鰭移動(dòng)角I，并根據(jù)步驟3. 2、3. 3的 方法求出當(dāng)前機(jī)器海豚為達(dá)到最大速度需要的攻角a:
其中，sign為符號(hào)函數(shù)，滿足：
步驟3. 6根據(jù)攻角、尾鰭移動(dòng)角、腰關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角以及海豚各部分與前進(jìn)方向的夾角 之間的關(guān)系，求出尾關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角03:
步驟3. 7通過(guò)程序設(shè)定使步驟3. 4中規(guī)定的腰關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角0 2和步驟3. 6中求得的 尾關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角0 3的數(shù)據(jù)分別送給所述機(jī)器海豚的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，則此時(shí)所述機(jī)器海豚通 過(guò)腰關(guān)節(jié)和尾關(guān)節(jié)的波動(dòng)前進(jìn)時(shí)的尾鰭的攻角a會(huì)滿足步驟3. 3中的設(shè)定模式，使游速最 大化。
4. 一種機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，包括以下步驟： 根據(jù)如權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法將所述機(jī)器海豚加速 到每秒一倍體長(zhǎng)以上的速度； 使所述機(jī)器海豚上浮到水面； 通過(guò)控制所述機(jī)器海豚的胸鰭，使所述機(jī)器海豚的出水角為60°，從而使所述機(jī)器海 豚躍出水面；以及 所述機(jī)器海豚依靠慣性在空中飛行一段距離后俯沖下落，完成整個(gè)躍水過(guò)程。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中在所述機(jī)器海豚躍出水面的 瞬間通過(guò)所述機(jī)器海豚尾鰭的拍動(dòng)使其繼續(xù)加速0. 1秒的時(shí)間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中所述機(jī)器海豚在空中滑翔時(shí) 能夠通過(guò)彎曲腹部來(lái)加快俯沖過(guò)程，或者通過(guò)伸展軀干來(lái)延長(zhǎng)滯空時(shí)間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中將所述機(jī)器海豚重新入水時(shí) 的基準(zhǔn)俯仰角設(shè)置為-45°。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中所述將所述機(jī)器海豚加速到 每秒一倍體長(zhǎng)以上的速度的步驟中將所述機(jī)器海豚的游速控制在2. 9倍體長(zhǎng)/秒。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，其中所述機(jī)器海豚實(shí)際的俯仰角 和角速度由陀螺儀測(cè)量，腰關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角和角速度由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器反饋。
10. -種機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制裝置，包括： 陀螺儀，測(cè)量所述機(jī)器海豚實(shí)際的俯仰角和角速度； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)所述機(jī)器海豚的尾鰭拍水，同時(shí)反饋所述機(jī)器海豚尾鰭的關(guān)節(jié)角和 角速度； 處理器，根據(jù)存儲(chǔ)的攻角控制算法計(jì)算所述機(jī)器海豚的攻角，并根據(jù)如權(quán)利要求4至9 任意一項(xiàng)所述的機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法來(lái)控制所述機(jī)器海豚尾鰭的拍水角度和動(dòng)作。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種機(jī)器海豚的運(yùn)動(dòng)控制方法，包括：加速階段、上浮階段、出水階段、飛行階段、入水階段共5個(gè)階段，其中加速階段采用攻角算法，將尾鰭的攻角控制在最佳的角度，最大化推進(jìn)力，從而使機(jī)器海豚達(dá)到最高游速；在其余4個(gè)階段，通過(guò)調(diào)整每個(gè)過(guò)程中機(jī)器海豚的姿態(tài)、速度、方向等參數(shù)使機(jī)器海豚達(dá)到最大的躍出水面的高度。本發(fā)明的方法可以使機(jī)器海豚達(dá)到每秒數(shù)倍體長(zhǎng)的高速度，比現(xiàn)有速度大幅度提升，從而首次完成了仿生機(jī)構(gòu)推進(jìn)下的機(jī)器海豚躍出水面的動(dòng)作。
【IPC分類】B63H1-36
【公開(kāi)號(hào)】CN104554681
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410838407
【發(fā)明人】蘇宗帥, 喻俊志, 張程, 譚民
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日