一种多模态仿生拉线机器鱼的CPG控制方法及机器鱼与流程

本发明涉及仿生机器鱼技术领域，更具体地说，它涉及一种多模态仿生拉线机器鱼的cpg控制方法及机器鱼。

背景技术：

在地球上的水世界中，经过了几百万年的自然选择和进化，鱼类已经拥有了非凡的水中运动能力。它们能够快速、高效和灵敏地游动，能够灵活地穿越复杂的水下环境，具有游动速度快、加速度大、效率高、噪声低等优异的游泳性能，大大超过了现有的水下航行机器人。这引起了生物学家和工程研究人员极大的兴趣，随着仿生学和机器人学的发展，研究人员设计出了一系列仿生机器鱼的模型，将鱼类的生物结构和水下运动能力转化为可由人类控制的自主水下机器人，简称机器鱼。

目前，有一些机器鱼研究团队采用了cpg控制，但由于是多关节多舵机的驱动结构，cpg控制的输入参数和输出参数较多，分析复杂。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种参数简单、模型效率高的多模态仿生拉线机器鱼的cpg控制方法。

本发明的目的二是提供一种结构简单、控制简单的机器鱼。

为了实现上述目的一，本发明提供一种多模态仿生拉线机器鱼的cpg控制方法，根据设定的鱼体摆动幅度、鱼体摆动频率、鱼体摆动偏移值、鱼体摆动时间比输入cpg模型计算得到一旋转角度，并根据所述旋转角度控制一个舵机驱动拉线机构来控制机器鱼的游动。

作为进一步地改进，所述cpg模型具体为：

α＝b+mcos(φ)

β＝b+msin(φ)

其中，b表示低级命令的偏移值，kb表示偏移值增益的正常数，b表示所述鱼体摆动偏移值，m表示低级命令的幅度，km表示幅度增益的正常数，m表示所述鱼体摆动幅度，φ表示相位，r表示所述鱼体摆动时间比，ω表示所述鱼体摆动频率，α表示所述旋转角度，β为中间变量；

当所述cpg模型达到稳定状态时，b趋近于b，m趋近于m。

进一步地，实时获取所述机器鱼周围的障碍物信息，根据所述障碍物信息查询避障规则库得到所述鱼体摆动幅度、鱼体摆动频率、鱼体摆动偏移值、鱼体摆动时间比。

进一步地，还包括pid模型，实时获取所述机器鱼的偏航角，所述pid模型根据所述偏航角与目标偏航角的偏差实时调整所述鱼体摆动偏移值以控制所述机器鱼定向巡游。

为了实现上述目的二，本发明提供一种机器鱼，包括头部、尾部以及若干个依次铰接的关节，所述头部与第一个关节铰接，所述尾部与最后一个关节铰接；所述头部包括支架、拉线机构，所述拉线机构包括安装于所述支架上的卷轮、卷绕于所述卷轮两侧的第一拉线、第二拉线，所述第一拉线、第二拉线的一端均固定连接所述卷轮，所述第一拉线、第二拉线的另一端分别依次穿过所述支架两侧、各关节两侧并固定连接所述尾部两侧，所述支架上设有连接所述卷轮的第一舵机，所述支架上设有电性连接所述第一舵机的控制电路板；所述控制电路板实现上述的cpg控制方法。

作为进一步地改进，所述头部的上下两端分别设有弹性片，位于上方的弹性片依次连接各所述关节上端、尾部上端，位于下方的弹性片依次连接各所述关节下端、尾部下端。

进一步地，所述支架的前端及两侧分别设有电性连接所述控制电路板的障碍物感应器。

进一步地，所述控制电路板上焊接有惯性测量单元。

进一步地，所述控制电路板上焊接有无线模块。

进一步地，所述头部还包括位于所述支架两侧的胸鳍，所述支架上设有与所述胸鳍连接的第二舵机，所述第二舵机电性连接所述控制电路板。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有的优点为：

1.本发明通过鱼体摆动幅度、鱼体摆动频率、鱼体摆动偏移值、鱼体摆动时间比输入cpg模型计算得到一旋转角度，并根据旋转角度控制一个舵机驱动拉线机构来控制机器鱼的游动，输入参数和输出参数简单、结构简单、控制简单、模型效率高且易于实现。

2.本发明通过实时获取机器鱼周围的障碍物信息，根据障碍物信息查询避障规则库得到鱼体摆动幅度、鱼体摆动频率、鱼体摆动偏移值、鱼体摆动时间比，可以方便实现机器鱼直线巡游、转弯、避障多种模态的运动方式。

3.本发明通过实时获取所述机器鱼的偏航角，使用pid模型根据偏航角与目标偏航角的偏差实时调整鱼体摆动偏移值可以控制机器鱼定向巡游，结合避障规则库可以实现定向避障，大大提高了机器鱼自主应对周围环境的能力，实现仿生机器鱼机动、灵活的自主游动。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的cpg模型示意图；

图4为本发明的控制方框图。

其中：1-头部、2-尾部、3-关节、4-支架、5-卷轮、6-第一拉线、7-第二拉线、8-第一舵机、9-控制电路板、10-弹性片、11-障碍物感应器、12-胸鳍、13-第二舵机、imu-惯性测量单元。

具体实施方式

下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。

参阅图1-4，一种多模态仿生拉线机器鱼的cpg控制方法，根据设定的鱼体摆动幅度、鱼体摆动频率、鱼体摆动偏移值、鱼体摆动时间比输入cpg模型计算得到一旋转角度，并根据旋转角度控制一个舵机驱动拉线机构来控制机器鱼的游动。

cpg模型具体为：

α＝b+mcos(φ)

β＝b+msin(φ)

其中，b表示低级命令的偏移值，kb表示偏移值增益的正常数，b表示鱼体摆动偏移值，m表示低级命令的幅度，km表示幅度增益的正常数，m表示鱼体摆动幅度，φ表示相位，r表示鱼体摆动时间比，ω表示鱼体摆动频率，α表示旋转角度，β为中间变量。鱼体摆动幅度m为机器鱼的鱼体摆动的幅度，鱼体摆动频率ω为机器鱼的鱼体摆动的频率，鱼体摆动偏移值b为机器鱼的鱼体摆动的中心线与鱼体静止状态下中轴线的角度差，鱼体摆动时间比r为机器鱼的鱼体向一侧摆动所用的时间tb与其回复到初始位置所用的时间tr的比值的倒数，即r＝tr/tb。

当cpg模型达到稳定状态时，b趋近于b，m趋近于m。

在本实施例中，实时获取机器鱼周围的障碍物信息，根据障碍物信息查询避障规则库得到鱼体摆动幅度、鱼体摆动频率、鱼体摆动偏移值、鱼体摆动时间比，可以方便实现机器鱼直线巡游、转弯、避障多种模态的运动方式。避障规则库为：若周围均没障碍物，则向前巡游；若前部有障碍物，则向左转；若左侧有障碍物，则向右转；若右侧有障碍物，则向左转；若前部和左侧均有障碍物，则向右转；若前部和右侧均有障碍物，则向左转；若左侧和右侧均有障碍物，则向前巡游；若前部、左侧和右侧均有障碍物，则向左转。

直线巡游时，cpg参数比较合适的鱼体摆动幅度m为20°～30°，鱼体摆动偏移值b＝0，即鱼体摆动的中轴线与静止时一致，没有偏移，左右对称，时间比r＝1，即鱼体来回摆动所用的时间是相同的，使机器鱼向前游动，正常鱼体摆动频率ω为1hz～2.5hz，根据需要可以适当提高频率，获得更快的游动速度。转弯时，鱼体摆动幅度m和鱼体摆动偏移值b正常取值为20°～30°，根据需要可适当提高以获得更小的转弯半径，鱼体摆动偏移值b的正负可实现左转和右转；鱼体摆动频率ω为1hz～2hz，鱼体摆动时间比r>1，为1.5～2.5，r值越大，可获得更小的转弯半径。

本方法还包括pid模型实现闭环控制，实时获取机器鱼的偏航角，pid模型根据偏航角与目标偏航角的偏差实时调整鱼体摆动偏移值b以控制机器鱼定向巡游，鱼体摆动幅度m、鱼体摆动频率ω和鱼体摆动时间比r均设为定值，pid模型为：

使用惯性测量单元imu读取到的机器鱼实时偏航角与设定的目标偏航角的差值e(t)为pid的偏差信号输入，kp、ki和kd分别为pid的比例、积分和微分系数。作为优选，在本实施例中设置kp为0.7、ki为0、kd为0.05，即只采用pd控制。

一种机器鱼，包括头部1、尾部2以及若干个依次铰接的关节3，头部1与第一个关节3铰接，尾部2与最后一个关节3铰接，头部1、尾部2及各关节3的中轴线一致，关节3的外围设有将其包裹的防水层，防水层的两端分别与头部1、尾部2密封连接。头部1包括支架4、拉线机构，支架4外围设有防水外壳，拉线机构包括安装于支架4上的卷轮5、卷绕于卷轮5两侧的第一拉线6、第二拉线7，卷轮5的旋转中心位于头部1的中轴线上。第一拉线6、第二拉线7的一端均固定连接卷轮5，第一拉线6、第二拉线7的另一端分别依次穿过支架4两侧、各关节3两侧并固定连接尾部2两侧，第一拉线6、第二拉线7对称布置于头部1的中轴线两侧。支架4上设有连接卷轮5的第一舵机8，支架4上设有电性连接第一舵机8的控制电路板9；控制电路板9实现上述的cpg控制方法。通过第一舵机8输出轴驱动卷轮旋转带动第一拉线6、第二拉线7，使其中一条拉紧，另外一条放松，从而实现机器鱼鱼体的摆动。在本实施例中，第一拉线6、第二拉线7为钢丝绳。

头部1的上下两端分别设有弹性片10，位于上方的弹性片10依次连接各关节3上端、尾部2上端，位于下方的弹性片10依次连接各关节3下端、尾部2下端，弹性片10可以提高机器鱼整体的稳定性。在本实施例中，弹性片10为弹簧钢片。

支架4的前端及两侧分别设有电性连接控制电路板9的障碍物感应器11，用于检测周围障碍物的情况，障碍物感应器11为型号为gp2y0a21的模拟量红外传感器。当然，障碍物感应器11也可以采用超声波传感器。

控制电路板9上焊接有惯性测量单元imu，用于获取机器鱼的姿态信息，惯性测量单元imu为型号为mpu6050的六轴姿态测量传感器。

控制电路板9上焊接有无线模块，用于电脑与机器鱼的通信，无线模块为型号为e62-433t20d的全双工无线模块。可以在电脑的labview上位机上设置cpg的输入参数和机器鱼的游动指令，通过无线射频模块发送给机器鱼，机器鱼对接收到的信息进行处理并作出反应。

头部1还包括位于支架4两侧的胸鳍12，支架4上设有与胸鳍12连接的第二舵机13，第二舵机13电性连接控制电路板9。通过控制胸鳍12旋转可以方便控制机器鱼上浮或下沉。

本发明提出的机器鱼只需采用一个舵机便可驱动机器鱼的鱼体摆动，提出的cpg模型的输入参数和输出参数简单，模型效率高且易于实现，并以此为基础，使机器鱼能够直线巡游、转弯、避障、定向巡游和定向避障等多种模态的运动方式，大大提高了机器鱼自主应对周围环境的能力，实现仿生机器鱼机动、灵活的自主游动。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。