二自由度仿生機器魚攜帶目標的控制方法技術

本發明專利技術公開了一種二自由度仿生機器魚攜帶目標的控制方法，用于解決現有機器魚控制方法精確度差的技術問題。技術方案是該方法通過采集機器魚及其所攜帶目標的狀態參數，建立極坐標系。構建力學模型，建立機器魚攜帶目標的運動學方程和動力學方程，確立控制參量與機器魚速度和角速度的關系，根據理想的攜帶目標的狀態，生成優化控制方法。并根據實驗得到最終的速度和角速度的最優輸出值。該方法采用客觀精確的運動學方程，動力學方程確定約束條件，綜合考慮了運動快速性、穩定性和精確性的要求，實時性好，精確程度高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種機器魚控制方法，特別是涉及一種。
技術介紹
仿生機器魚是通過模仿魚類的游動機理，實現水中作業的一種機器魚。它廣泛應用于軍事偵察，海洋勘探，管道檢測，尋找污染源等方面，因此對仿生機器魚的研究有重要的意義。文獻“基于坐標變換的機器魚頂球算法，兵工自動化，2012，Vol.31(ll)，p73_79”在分析典型頂球算法的基礎上，考慮影響進球的客觀因素，提出了一種基于坐標變換的機器魚控制方法。該方法秉承以頭頂球為主的進攻模式，最大限度地利用機器魚尾巴和身體擊球。根據機器魚、球以及對方球門的坐標幾何位置關系設計動作決策機制，來選擇機器魚動作。大大提高了機器魚帶球進攻的效率。基于此思路，該文提出的新型頂球算法。部分解決了基本頂球算法運用于實際機器人水球比賽中存在的問題。文獻所述方法僅針對機器魚，球以及球門坐標幾何關系進行了動作決策設計，并沒有考慮實際情況下，魚與目標之間的動力學問題，也無法保證機器魚攜帶目標的精確性。綜上所述，現有的機器魚攜帶目標方法尚未建立機器魚與目標之間的動力學關系，未采取有效手段保證攜帶目標的精確性，具有一定的局限性。
技術實現思路
為了克服現有機器魚控制方法精確度差的不足，本專利技術提供一種。該方法通過采集機器魚及其所攜帶目標的狀態參數，建立極坐標系。構建力學模型，建立機器魚攜帶目標的運動學方程和動力學方程，確立控制參量與機器魚速度和角速度的關系，根據理想的攜帶目標的狀態，生成優化控制方法。并根據實驗得到最終的速度和角速度的最優輸出值。該方法采用客觀精確的運動學方程，動力學方程確定約束條件，綜合考慮了運動快速性、穩定性和精確性的要求，實時性好，精確程度高。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是:一種，其特點是采用以下步驟:步驟一、以二自由度仿生機器魚魚體質心為坐標原點，以二自由度仿生機器魚魚體正方向為極軸正方向建立極坐標系，確定平面極坐標運動方程。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種二自由度仿生機器魚攜帶目標的控制方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一、以二自由度仿生機器魚魚體質心為坐標原點，以二自由度仿生機器魚魚體正方向為極軸正方向建立極坐標系，確定平面極坐標運動方程；θ·=-ω+υ·sinθ/ρρ·=-υ·cosθ---(1)]]>式中，(ρ,θ)為目標點的坐標，υ為二自由度仿生機器魚質心的線速度大小，ω為二自由度仿生機器魚繞質心角速度大小；步驟二、以目標中心O為極點，以由攜帶目標的終點Destination指向O的方向為極軸，建立極坐標系；計算二自由度仿生機器魚魚頭坐標H(ρH,αH)，體心坐標B(ρB,αB)，O到Destination得距離DOD，以及體軸方向角αF；所有角度都轉換到(?π,π]區間內；步驟三、構建力學模型，根據平面極坐標運動學方程，得d|αF|dt=ωo-vsin|αF|DOD---(2)]]>式中，ωo＝ω×sign(αF)，ω為二自由度仿生機器魚的角速度；步驟四、將二自由度仿生機器魚魚頭的速度做矢量分解：vr=vcosαcrio+ω0Dhbsinαcriovt=vsinαcrio-ω0Dhbcosαcrio---(3)]]>式中，vr為二自由度仿生機器魚魚頭的速度指向O的法向速度分量，vt為二自由度仿生機器魚魚頭的法向速度分量，αcrio＝αcri×sign(αF)；在二自由度仿生機器魚魚頭相對目標沒有滑移的情況下，令圓形目標上的接觸點受到魚頭的靜摩擦力Ff，Ff與vr、vt正相關，并且與vt同向，因此得到：Ff∝vr,Ff∝vt，即：Ff=μvrvt=μ[v2-ωo2Dhb22sin(2αcrio)-vωoDhbcos(2αcrio)]---(4)]]>經過實物測試，ωmaxDhb≈0.1vmax，ωmax2Dhb2≈0.01vmax2，忽略ωmax2Dhb2項，得：Ff=μvrvt=μ[v22sin(2αcrio)-vωoDhbcos(2αcrio)]---(5)]]>式中，μ為水介質下的摩擦系數，μ>0；接觸點受到相對O的力矩：MTouch＝FfR?????????????(6)式中，R為圓形目標的半徑；根據運動學方程，αH絕對值得變化速率：d|αH|dt=-MTouchIO=-FfRIO---(7)]]>式中，IO為目標繞O點的轉動慣量；步驟五、生成控制方法，二自由度仿生機器魚攜帶目標理想的狀態是αH＝0,αF＝π，為了盡可能的讓二自由度仿生機器魚向理想狀態靠攏，當|αH|≥π/2或者二自由度仿生機器魚魚頭未觸及目標時，令二自由度仿生機器魚游向Rear點，盡快進入攜帶目標狀態；進入攜帶目標狀態后，保證與為了保證運動和進入理想狀態的快速性，根據實驗選取最優值，取：v1=0.95ωoDODsin|αF|,v2=max{v1,0},vout=min{v2,vmax};---(8)]]>同時，還要保證①如果0≤|αcrio|<π/4，得為了盡量消除轉角運動的震蕩，保證運動的穩定性，根據實驗選取最優值，取：ωo1=0.95v2Dhbtan(2αcrio),ωo2=max{ωo1,-ωmax},ωo=min{ωo2,ωmax};---(9)]]>②如果π/4≤|αcrio|≤π/2，取ω0＝ωmax；ωout＝ωo×sign(αF)????????????(10)將(vout,ωout)作為二自由度仿生機器魚當前目標狀態進行控制。...

【技術特征摘要】
1.一種二自由度仿生機器魚攜帶目標的控制方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、以二自由度仿生機器...

【專利技術屬性】
技術研發人員：史豪斌，李小婷，徐林程，郭志巍，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61