仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器魚控制領(lǐng)域，尤其涉及一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，仿生機(jī)器魚的關(guān)節(jié)由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步的，通常采用比例-積分-微分 (Proportion-Integration-Differentiation，簡(jiǎn)稱PID)控制方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)采 用位置跟隨的PID控制算法控制電機(jī)時(shí)，PID控制器中的比例系數(shù)KP與關(guān)節(jié)的剛度成正比 例線性關(guān)系。
[0003] 機(jī)器魚的推進(jìn)效率是機(jī)器魚所獲得的水動(dòng)力推進(jìn)機(jī)器魚所做的功與驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚 關(guān)節(jié)所消耗的功的比例，具體計(jì)算公式如下：
[0004]
[0005] 其中n表示推進(jìn)效率，F(xiàn)表示水動(dòng)力的平均推進(jìn)力，u表示機(jī)器魚的平均游動(dòng)速 度，Mi表示第i關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩，COi表示第i關(guān)節(jié)的角速度。相關(guān)技術(shù)中，仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的 控制方案多采用固定剛度的控制方法，即上述公式中的轉(zhuǎn)矩等參數(shù)均采用預(yù)先設(shè)定的固定 值，無法準(zhǔn)確模擬生物魚，降低了仿生機(jī)器魚的推進(jìn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法及裝置，用于提高仿生機(jī)器魚的推進(jìn) 效率。
[0007] 本發(fā)明的第一個(gè)方面是提供一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法，包括：
[0008] 獲取仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度0與預(yù)設(shè)的第二角度0$之間的差值 error；
[0009]根據(jù)關(guān)節(jié)電機(jī)當(dāng)前輸出的功率Pm和所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度0，利用 模糊控制器，對(duì)比例-積分-微分PID控制器當(dāng)前的比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，獲得調(diào)整后的比例 系數(shù)，所述關(guān)節(jié)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)；
[0010]根據(jù)所述調(diào)整后的比例系數(shù)，對(duì)所述差值error進(jìn)行PID控制，獲得標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩；
[0011] 控制所述關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以使所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的 轉(zhuǎn)矩為所述標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩，并再次執(zhí)行所述獲取仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度9與預(yù)設(shè)的 第二角度Q$之間的差值error的步驟。
[0012] 本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制裝置，包括：
[0013] 獲取模塊，用于獲取仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度0與預(yù)設(shè)的第二角度0$之 間的差值error;
[0014] 模糊控制模塊，用于根據(jù)關(guān)節(jié)電機(jī)當(dāng)前輸出的功率Pm和所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前 的第一角度9，利用模糊控制器，對(duì)比例-積分-微分PID控制器當(dāng)前的比例系數(shù)進(jìn)行調(diào) 整，獲得調(diào)整后的比例系數(shù)，所述關(guān)節(jié)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)；
[0015] PID控制模塊，用于根據(jù)所述調(diào)整后的比例系數(shù)，對(duì)所述差值error進(jìn)行PID控制， 獲得標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩；
[0016] 處理模塊，用于控制所述關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以使所述仿 生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩為所述標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩，并指示所述獲取模塊再次執(zhí)行所述獲取仿生機(jī)器魚 關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度9與預(yù)設(shè)的第二角度9 $之間的差值error的步驟。
[0017] 本發(fā)明提供的仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法及裝置，根據(jù)仿生機(jī)器魚的關(guān)節(jié)角度和 用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚關(guān)鍵的關(guān)節(jié)電機(jī)的輸出功率，通過模糊控制的方法，對(duì)PID控制器的比例 控制系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器魚進(jìn)行變剛度控制，提高機(jī)器魚的推進(jìn)效率。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù) 這些附圖獲得其他的附圖。
[0019] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法的流程示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的另一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法的流程示意圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的另一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法的流程框圖；
[0022] 圖4A為本發(fā)明實(shí)施例一中模糊控制器的輸入變量Pm的隸屬函數(shù)曲線；
[0023]圖4B為本發(fā)明實(shí)施例一中模糊控制器的輸入變量0的隸屬函數(shù)曲線；
[0024]圖4C為本發(fā)明實(shí)施例一中模糊控制器的輸出變量A KP的隸屬函數(shù)曲線；
[0025] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0027] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制方法的流程示意圖，如 圖1所示，該控制方法包括：
[0028] 101、獲取仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度0與預(yù)設(shè)的第二角度0$之間的差值 error〇
[0029]102、根據(jù)關(guān)節(jié)電機(jī)當(dāng)前輸出的功率Pm和所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度0， 利用模糊控制器，對(duì)PID控制器當(dāng)前的比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，獲得調(diào)整后的比例系數(shù)，所述關(guān) 節(jié)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)；
[0030] 103、根據(jù)所述調(diào)整后的比例系數(shù)，對(duì)所述差值error進(jìn)行PID控制，獲得標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn) 矩；
[0031] 104、控制所述關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以使所述仿生機(jī)器魚關(guān) 節(jié)的轉(zhuǎn)矩為所述標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩，并再次執(zhí)行所述獲取仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度9與預(yù) 設(shè)的第二角度Q$之間的差值error的步驟。
[0032]其中，所述第一角度可以通過設(shè)置在仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的傳感器采集獲得。具體的， 所述關(guān)節(jié)電機(jī)具體可以為直流電機(jī)；0為仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)實(shí)際到達(dá)的角度；error表示當(dāng) 前仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的角度與預(yù)設(shè)的第二角度9 $之間的誤差，例如，error= 0 $-0。預(yù)設(shè) 的第二角度9 $的值可以根據(jù)實(shí)際需要確定，本實(shí)施例不對(duì)其進(jìn)行限制。
[0033] 實(shí)際應(yīng)用中，初始時(shí)先利用直流電機(jī)搭建機(jī)器魚關(guān)節(jié)平臺(tái)，具體的，利用PID控制 器，對(duì)仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度0與預(yù)設(shè)的第二角度9 $之間的差值error進(jìn)行PID 控制，獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩M，控制所述關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)該仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)，并使該仿生機(jī)器魚關(guān) 節(jié)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到PID控制獲得的轉(zhuǎn)矩M，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器魚關(guān)節(jié)的位置跟隨；后續(xù)的，利用模 糊控制器，對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)當(dāng)前輸出的功率Pm和所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一角度0進(jìn)行 模糊控制，獲得調(diào)整后的比例系數(shù)KP'，根據(jù)所述調(diào)整后的比例系數(shù)KP'，對(duì)所述差值error 進(jìn)行比例-積分-微分PID控制，獲得標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩M;控制關(guān)節(jié)電機(jī)繼續(xù)對(duì)仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)，并使所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到所述標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩；之后重復(fù)執(zhí)行上述步驟，從而 對(duì)有PID控制器的比例系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的同時(shí)，對(duì)仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，提高 推進(jìn)效率。
[0034] 具體的，如圖2所示，圖2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的另一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的控制 方法的流程示意圖，圖1所示實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，102具體可以包括：
[0035] 201、利用預(yù)先建立的模糊控制器，對(duì)所述功率Pm和所述第一角度0進(jìn)行模糊控 制處理，獲得調(diào)整比例系數(shù)AKP;
[0036] 202、將所述調(diào)整比例系數(shù)AKP和當(dāng)前PID控制的比例系數(shù)KP進(jìn)行疊加處理，獲得 調(diào)整后的比例系數(shù)KP'。
[0037] 其中，KP表示當(dāng)前PID控制器中比例控制器的比例系數(shù)，需要說明的是，本方案中 采用到反饋和循環(huán)計(jì)算，舉例來說，在第一時(shí)刻下，對(duì)第一時(shí)刻下PID控制器的比例系數(shù)KP 調(diào)整后，獲得第一時(shí)刻下調(diào)整后的比例系數(shù)KP'，相應(yīng)的，在第一時(shí)刻后的下一時(shí)刻的模糊 控制計(jì)算中，第一時(shí)刻調(diào)整后獲得的比例系數(shù)KP'，在第一時(shí)刻后的下一時(shí)刻下，則作為該 時(shí)刻下當(dāng)前的比例系數(shù)KP。
[0038] 為了更好地理解本方案，圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的另一種仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的 控制方法的流程框圖，如圖3所示，初始時(shí)，利用PID控制器，對(duì)仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng)前的第一 角度9與預(yù)設(shè)的第二角度f之間的差值error進(jìn)行PID控制，獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩M，控制 所述關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)該仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)，并使該仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到PID控制獲得的 轉(zhuǎn)矩M;后續(xù)的，利用模糊控制器，對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)當(dāng)前輸出的功率P"和所述仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)當(dāng) 前的第一角度9進(jìn)行模糊控制，獲得調(diào)整比例系數(shù)AKP;將所述