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专利号: 2021109544650
申请人: 武汉工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种多关节机器鱼,其特征在于,包括密闭设置的鱼体结构,其上设置有传感器组,鱼体结构两侧对称连接有驱动鱼体结构上下运动的右胸鳍和左胸鳍,鱼体结构内部设有分别与右胸鳍和左胸鳍连接并带动其运动的右胸鳍舵机关节和左胸鳍舵机关节,鱼体结构内部还设有控制器、定位模块和通信模块;鱼体结构尾端连接有驱动鱼体结构水平游动的尾部关节机构,尾部关节机构包括至少三组依次相连的尾部舵机关节,末尾的尾部舵机关节尾端还连接有尾鳍;传感器组至少包括红外传感器、水质检测传感器和惯性导航传感器。

2.根据权利要求1所述的一种多关节机器鱼,其特征在于,尾部舵机关节数量为三组。

3.根据权利要求2所述的一种多关节机器鱼,其特征在于,多关节机器鱼的水平游动包括直线游动和转向游动;在多关节机器鱼进行直线游动时,通过控制三个尾部舵机关节使多关节机器鱼的尾鳍绕鱼体结构中心轴周期性左右摆动产生向前的推力,从而使机器鱼做直线游动,此时右胸鳍和左胸鳍不提供动力;在多关节机器鱼进行转向游动时,控制第一尾部舵机关节和第二尾部舵机关节向一侧偏转产生偏转力,再控制第三尾部舵机关节使尾鳍绕第二尾部舵机关节中心轴周期性左右摆动产生向前的推力,从而使多关节机器鱼做转向游动。

4.根据权利要求1所述的一种多关节机器鱼,其特征在于,多关节机器鱼通过改变右胸鳍和左胸鳍的倾斜程度来实现上下运动,在尾鳍绕鱼体结构中心轴周期性左右摆动提供推进力的前提下,当右胸鳍和左胸鳍与鱼体结构平行时,多关节机器鱼保持水平方向的运动;

当右胸鳍和左胸鳍同时向上倾斜时,多关节机器鱼实现上浮运动;当右胸鳍和左胸鳍同时向下倾斜时,多关节机器鱼实现下潜运动。

5.根据权利要求1所述的一种多关节机器鱼,其特征在于,对多关节机器鱼的控制采用分层闭环控制,分为三层,包括:

传感器反馈层,由红外传感器和惯性导航传感器构成,用于提供多关节机器鱼的外部环境信息和自身姿态信息,不断进行多关节机器鱼模态及姿态的调整,从而有效控制多关节机器鱼游动;

高级控制层,用于进行多关节机器鱼的避障及路径规划和模态的选择;

低级控制层,用于对多关节机器鱼的姿态进行调整,调整内容还至少包括多关节机器鱼的航向和速度。

6.根据权利要求1所述的一种多关节机器鱼,其特征在于,采用CPG网络模型控制尾部关节机构、右胸鳍和左胸鳍的运动。

7.根据权利要求5所述的一种多关节机器鱼,其特征在于,所述高级控制层通过模糊算法进行避障及路径规划和模态的选择。

8.一种用于控制如权利要求1所述的一种多关节机器鱼的运动控制方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤一:判断多关节机器鱼是否处于目标位置,若是,则结束;若否,则利用红外传感器获取多关节机器鱼与障碍物的距离值d;

步骤二:获取距离值d,根据高级控制层选择相应的模态,得到对应CPG参数 ω、m;其中 为相位差、ω为频率、m为振幅;

步骤三:低级控制层根据输入的 ω、m,输出稳定的周期性节律信号z,并根据此信号生成PWM信号,控制尾部关节机构、右胸鳍和左胸鳍的摆动角度和转速;

步骤四:传感器反馈层将距离值d反馈给高级控制层,将航向角偏差θ反馈给低级控制层,从而实现对多关节机器鱼模态和姿态的调整;

步骤五:实时调整,通过判断红外传感器采集到距离值d是否大于阈值,来对运动控制进行简化处理,若所有距离值d都大于阈值,说明不需要进行避障,只需通过CPG网络进行姿态调整即可,而若存在距离值d小于阈值,则需要先通过模糊算法进行避障,再通过CPG网络进行姿态调整;

步骤六:判断多关节机器鱼是否处于目标位置,若是,则结束;若否,则返回步骤一。

9.根据权利要求8所述的运动控制方法,其特征在于,多关节机器鱼的水平游动包括直线游动和转向游动;在多关节机器鱼进行直线游动时,通过控制三个尾部舵机关节使多关节机器鱼的尾鳍绕鱼体结构中心轴周期性左右摆动产生向前的推力,从而使机器鱼做直线游动,此时右胸鳍和左胸鳍不提供动力;在多关节机器鱼进行转向游动时,控制第一尾部舵机关节和第二尾部舵机关节向一侧偏转产生偏转力,再控制第三尾部舵机关节使尾鳍绕第二尾部舵机中心轴周期性左右摆动产生向前的推力,从而使多关节机器鱼做转向游动。

10.根据权利要求8所述的运动控制方法,其特征在于,多关节机器鱼通过改变右胸鳍和左胸鳍的倾斜程度来实现上下运动,在尾鳍绕鱼体结构中心轴周期性左右摆动提供推进力的前提下,当右胸鳍和左胸鳍与鱼体结构平行时,多关节机器鱼保持水平方向的运动;当右胸鳍和左胸鳍同时向上倾斜时,多关节机器鱼实现上浮运动;当右胸鳍和左胸鳍同时向下倾斜时,多关节机器鱼实现下潜运动。