仿生魚的運動控制算法設計與仿真實現

杜爽 袁小花

西南科技大學信息工程學院自動化系，四川 綿陽 621000

仿生魚的運動控制算法設計與仿真實現

杜爽 袁小花

西南科技大學信息工程學院自動化系，四川 綿陽 621000

仿生魚技術涉及控制學、流體力學、結構物理，材料學等多方面的知識，本文在對魚類游動形態研究的基礎上利用MATLAB軟件對魚類游動模型進行了仿真，并建立了數學模型，推導出了魚類游動姿態曲線函數，進而設計了運動控制系統。

仿生魚；舵機；控制系統；MATLAB

引言

魚類在水中具有游動效率高、機動性能好以及對環境擾動小等優點[1]，仿生魚技術的研究已經成為仿生機器人方面的熱點之一[2]。魚類推進機理的研究引起越來越多研究者的興趣，越來越多的理論研究為仿生魚技術的發展起到了非常重要的作用。如今，仿生機器魚的研究正朝著多學科結合、多目標任務控制的方向發展[4]。

本文針對以上現象以“波動推進理論”[3]為理論基礎，通過MATLAB仿真仿生機器魚在擺動過程中的姿態曲線，提取了魚體脊椎的抽象物理模型，同時，以波動推進理論為控制理論結合時序控制算法，實現了仿生魚的運動控制。

1 仿生魚物理結構分析

魚類身體的構造是由于數根脊椎骨連接而成的，所以魚類擺動的身體可以看成一系列的鉸鏈連接組成的擺鏈系統。根據波動推進理論[2]的分析，可以提取魚類擺動部位的結構形態的物理模型，模型中相關參數有:擺動部位占魚身總長的比例（K），擺動關結數（N），以及各關節之間的長度比例（L1:L2:…:Ln）。K越大游動效率越高，N的大小決定了擺動關節部分的平滑程度，其中各個擺動關節長度之比為如下圖1。

圖1 仿生魚擺動部分鉸鏈式節點軌跡圖

在該結構中，關節n的擺動角度θn的范圍為0～2π，在笛卡爾坐標系中，假設擺動關節點坐標為 Pn(xn，yn)，則將該坐標系下的關節點坐標轉化在極坐標系中，可表示為:

故可以推出得出各個擺動節點的軌跡為:

根據以上的關節點坐標，可以通過調節舵機角度θ的值，使得仿生魚在游動時使流體產分離，并且在尾部產生漩渦。

2 仿生魚姿態控制分析與仿真

按照波動推進理論， 魚體波動的形式決定了魚的游動性能和游動效率。研究人員對各種采用身體波和尾鰭推進方式的魚類進行了研究， 發現這些魚類的身體波曲線可以用一個波動方程來表示，Light Hill等人在多年的研究基礎上提出的魚類游動時身體波的方程[3，4，5]表示如下:

ybody是魚體的橫向位移，x是魚體的軸向位移；K是體波數K=2π/λ，λ是魚體波的波長，C1是魚體波波幅包絡線的一次項系數，C2是魚體波波幅包絡線的二次項系數，ω是魚體波頻率(ω=2πf=2π/T)。根據仿生機器魚的各項物理參數，經過多次的嘗試得出了較為理想的擺動曲線方程:

利用MATLAB對該曲線方程進行仿真，如圖2:

圖2 仿真魚擺動姿態曲線圖

根據仿真的姿態曲線，通過對每條姿態曲線進行取樣，可以得出圖3中的效果圖。該圖真實的描述了本文設計的仿生機器魚的擺動軌跡，整體上達到平滑的擺動效果。

圖3 擺動周期內部分關節采樣點位置

3、總結

本文對仿生機器魚的各項參數進行了多次試驗，并且所設計控制算法上經過多次的調試，解決了仿生機器魚在水中的動態平衡問題，基本實現了在模擬仿生機器魚在水中的游動狀態。

本文從仿生機器魚的機械結構設計上，給出了簡化模型的方式，并且根據波動推進理論得出的波動推進曲線，采用取樣控制的方案，既結合了擺動過程中的擺動節點的非線性特征，同時也根據柔性鰭波物理模型，提出了控制方案的設計思路。

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[2] 梁建宏,王田苗,魏洪興.水下仿生機器魚的研究進展Ⅰ－魚類推進機理[J].機器人，2002:107～109.

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[5] 周志強,王志良等.仿生機器魚的設計及其運動控制研究[J].微計算機信息，2006:252～259.

[6] 駱涵秀，李世倫，朱捷.機電控制[M].浙江大學出版社，1994:31～63.

TP24

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.13.074

杜 爽（1990- ）女，西南科技大學信息工程學院，在讀本科，主要學習方向:智能控制。