仿生机器鱼关节的控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种仿生机器鱼关节的控制方法及装置，包括：获取仿生机器鱼关节当前的第一角度与预设的第二角度之间的差值；根据关节电机当前输出的功率和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度，利用模糊控制器，对PID控制器当前的比例系数进行调整，获得调整后的比例系数，所述关节电机用于驱动所述仿生机器鱼关节；根据所述调整后的比例系数，对差值进行PID控制，获得标准转矩；控制所述关节电机对所述仿生机器鱼关节进行驱动，以使所述仿生机器鱼关节的转矩为所述标准转矩，并再次执行获取差值的步骤。通过本发明专利技术提供的方案，能够提高机器鱼的推进效率。

【技术实现步骤摘要】
仿生机器鱼关节的控制方法及装置
本专利技术涉及机器鱼控制领域，尤其涉及一种仿生机器鱼关节的控制方法及装置。
技术介绍
目前，仿生机器鱼的关节由电机进行驱动，进一步的，通常采用比例-积分-微分(Proportion-Integration-Differentiation，简称PID)控制方法对电机进行控制，当采用位置跟随的PID控制算法控制电机时，PID控制器中的比例系数KP与关节的刚度成正比例线性关系。机器鱼的推进效率是机器鱼所获得的水动力推进机器鱼所做的功与驱动机器鱼关节所消耗的功的比例，具体计算公式如下：其中η表示推进效率，表示水动力的平均推进力，U表示机器鱼的平均游动速度，Mi表示第i关节的转矩，ωi表示第i关节的角速度。相关技术中，仿生机器鱼关节的控制方案多采用固定刚度的控制方法，即上述公式中的转矩等参数均采用预先设定的固定值，无法准确模拟生物鱼，降低了仿生机器鱼的推进效率。
技术实现思路
本专利技术提供一种仿生机器鱼关节的控制方法及装置，用于提高仿生机器鱼的推进效率。本专利技术的第一个方面是提供一种仿生机器鱼关节的控制方法，包括：获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error；根据关节电机当前输出的功率Pm和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度θ，利用模糊控制器，对比例-积分-微分PID控制器当前的比例系数进行调整，获得调整后的比例系数，所述关节电机用于驱动所述仿生机器鱼关节；根据所述调整后的比例系数，对所述差值error进行PID控制，获得标准转矩；控制所述关节电机对所述仿生机器鱼关节进行驱动，以使所述仿生机器鱼关节的转矩为所述标准转矩，并再次执行所述获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error的步骤。本专利技术的另一个方面是提供一种仿生机器鱼关节的控制装置，包括：获取模块，用于获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error；模糊控制模块，用于根据关节电机当前输出的功率Pm和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度θ，利用模糊控制器，对比例-积分-微分PID控制器当前的比例系数进行调整，获得调整后的比例系数，所述关节电机用于驱动所述仿生机器鱼关节；PID控制模块，用于根据所述调整后的比例系数，对所述差值error进行PID控制，获得标准转矩；处理模块，用于控制所述关节电机对所述仿生机器鱼关节进行驱动，以使所述仿生机器鱼关节的转矩为所述标准转矩，并指示所述获取模块再次执行所述获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error的步骤。本专利技术提供的仿生机器鱼关节的控制方法及装置，根据仿生机器鱼的关节角度和用于驱动机器鱼关键的关节电机的输出功率，通过模糊控制的方法，对PID控制器的比例控制系数进行动态调整，从而实现对机器鱼进行变刚度控制，提高机器鱼的推进效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一提供的一种仿生机器鱼关节的控制方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例一提供的另一种仿生机器鱼关节的控制方法的流程示意图；图3为本专利技术实施例一提供的另一种仿生机器鱼关节的控制方法的流程框图；图4A为本专利技术实施例一中模糊控制器的输入变量Pm的隶属函数曲线；图4B为本专利技术实施例一中模糊控制器的输入变量θ的隶属函数曲线；图4C为本专利技术实施例一中模糊控制器的输出变量ΔKP的隶属函数曲线；图5为本专利技术实施例二提供的一种仿生机器鱼关节的控制装置的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。图1为本专利技术实施例一提供的一种仿生机器鱼关节的控制方法的流程示意图，如图1所示，该控制方法包括：101、获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error。102、根据关节电机当前输出的功率Pm和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度θ，利用模糊控制器，对PID控制器当前的比例系数进行调整，获得调整后的比例系数，所述关节电机用于驱动所述仿生机器鱼关节；103、根据所述调整后的比例系数，对所述差值error进行PID控制，获得标准转矩；104、控制所述关节电机对所述仿生机器鱼关节进行驱动，以使所述仿生机器鱼关节的转矩为所述标准转矩，并再次执行所述获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error的步骤。其中，所述第一角度可以通过设置在仿生机器鱼关节的传感器采集获得。具体的，所述关节电机具体可以为直流电机；θ为仿生机器鱼关节实际到达的角度；error表示当前仿生机器鱼关节的角度与预设的第二角度θ*之间的误差，例如，error＝θ*-θ。预设的第二角度θ*的值可以根据实际需要确定，本实施例不对其进行限制。实际应用中，初始时先利用直流电机搭建机器鱼关节平台，具体的，利用PID控制器，对仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error进行PID控制，获得相应的转矩M，控制所述关节电机驱动该仿生机器鱼关节，并使该仿生机器鱼关节的转矩达到PID控制获得的转矩M，从而实现对机器鱼关节的位置跟随；后续的，利用模糊控制器，对关节电机当前输出的功率Pm和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度θ进行模糊控制，获得调整后的比例系数KP’，根据所述调整后的比例系数KP’，对所述差值error进行比例-积分-微分PID控制，获得标准转矩M；控制关节电机继续对仿生机器鱼关节进行驱动，并使所述仿生机器鱼关节的转矩达到所述标准转矩；之后重复执行上述步骤，从而对有PID控制器的比例系数进行动态调整的同时，对仿生机器鱼关节进行动态控制，提高推进效率。具体的，如图2所示，图2为本专利技术实施例一提供的另一种仿生机器鱼关节的控制方法的流程示意图，图1所示实施方式的基础上，102具体可以包括：201、利用预先建立的模糊控制器，对所述功率Pm和所述第一角度θ进行模糊控制处理，获得调整比例系数ΔKP；202、将所述调整比例系数ΔKP和当前PID控制的比例系数KP进行叠加处理，获得调整后的比例系数KP’。其中，KP表示当前PID控制器中比例控制器的比例系数，需要说明的是，本方案中采用到反馈和循环计算，举例来说，在第一时刻下，对第一时刻下PID控制器的比例系数KP调整后，获得第一时刻下调整后的比例系数KP’，相应的，在第一时刻后的下一时刻的模糊控制计算中，第一时刻调整后获得的比例系数KP’，在第一时刻后的下一时刻下，则作为该时刻下当前的比例系数KP。为了更好地理解本方案，图3为本专利技术实施例一提供的另一种仿生机器鱼关节的控制方法的流程框图，如图3所示，初始时，利用PID控制器，对仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error进行PID控制，获得相应的转矩M，控制所述关节电机驱动该仿生机器鱼关节，并使该仿生机器鱼关节的转矩达到PID控制获得的转矩M；后续的，利用模糊控制器，对关节电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生机器鱼关节的控制方法，其特征在于，包括：获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error；根据关节电机当前输出的功率Pm和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度θ，利用模糊控制器，对比例‑积分‑微分PID控制器当前的比例系数进行调整，获得调整后的比例系数，所述关节电机用于驱动所述仿生机器鱼关节；根据所述调整后的比例系数，对所述差值error进行PID控制，获得标准转矩；控制所述关节电机对所述仿生机器鱼关节进行驱动，以使所述仿生机器鱼关节的转矩为所述标准转矩，并再次执行所述获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error的步骤。

【技术特征摘要】
1.一种仿生机器鱼关节的控制方法，其特征在于，包括：获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error；根据关节电机当前输出的功率Pm和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度θ，利用模糊控制器，对比例-积分-微分PID控制器当前的比例系数进行调整，获得调整后的比例系数，所述关节电机用于驱动所述仿生机器鱼关节；根据所述调整后的比例系数，对所述差值error进行PID控制，获得标准转矩；控制所述关节电机对所述仿生机器鱼关节进行驱动，以使所述仿生机器鱼关节的转矩为所述标准转矩，并再次执行所述获取仿生机器鱼关节当前的第一角度θ与预设的第二角度θ*之间的差值error的步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据关节电机当前输出的功率Pm和所述仿生机器鱼关节当前的第一角度θ，利用模糊控制器，对PID控制器当前的比例系数进行调整，获得调整后的比例系数，包括：利用预先建立的模糊控制器，对所述功率Pm和所述第一角度θ进行模糊控制处理，获得调整比例系数ΔKP；将所述调整比例系数ΔKP和当前PID控制的比例系数KP进行叠加处理，获得调整后的比例系数KP’。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用预先建立的模糊控制器，对所述功率Pm和所述第一角度θ进行模糊控制处理，获得调整比例系数ΔKP，包括：将功率Pm作为所述模糊控制器的第一输入变量，所述第一输入变量的隶属函数包括第一N函数和第一Z函数，其中，所述第一N函数的类型为trimf，参数为[Pmin，Pmin，Pmin/2]；所述第一Z函数的类型为trimf，参数为[Pmin，Pmin/2，0]；其中，Pmin为所述关节电机的最小功率值；将第一角度θ作为所述模糊控制器的第二输入变量，所述第二输入变量的隶属函数包括第二N函数、第二Z函数和P函数，其中，所述第二N函数的类型为trimf，参数为[-θf，-θf，0]；所述第二Z函数的类型为trimf，参数为[-θf，0，θf]；所述P函数的类型为trimf，参数为[0，θf，θf]；其中，θf为所述仿生机器鱼关节角度的幅值；将调整比例系数ΔKP作为所述模糊控制器的输出变量，所述输出变量的隶属函数包括第三Z函数、PS函数和PB函数，其中，第三Z函数的类型为trimf，参数为[0，0.5*KP，0.8*KP]；PS函数的类型为trimf，参数为[0.25*KP，0.75*KP，KP]；PB函数的类型为smf，参数为[0.625*KP，KP]；根据当前的功率Pm和第一角度θ的隶属函数、以及所述模糊控制器的模糊控制表，获得所述调整比例系数ΔKP。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据当前的功率Pm和第一角度θ的隶属函数、以及所述模糊控制器的模糊控制表，获得所述调整比例系数ΔKP，包括：若当前的功率Pm隶属所述第一N函数，且当前的第一角度θ隶属所述P函数，则所述调整比例系数ΔKP隶属所述PS函数；若当前的功率Pm隶属所述第一N函数，且当前的第一角度θ隶属所述第二N函数，则所述调整比例系数ΔKP隶属所述PS函数；若当前的功率Pm隶属所述第一N函数，且当前的第一角度θ隶属所述第二Z函数，则所述调整比例系数ΔKP隶属所述PB函数；若当前的功率Pm隶属所述第一Z函数，且当前的第一角度θ隶属所述P函数，则所述调整比例系数ΔKP隶属所述第三Z函数；若当前的功率Pm隶属所述第一Z函数，且当前的第一角度θ隶属所述第二N函数，则所述调整比例系数ΔKP隶属所述第三Z函数；若当前的功率Pm隶属所述第一Z函数，且当前的第一角度θ隶属所述第二Z函数，则所述调整比例系数ΔKP隶属所述PS函数。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述调整后的比例系数，对所述差值error进行PID控制，获得标准转矩，包括：根据调整后的比例系数，对所述差值error进行比例控制，获得第一输出信号；对所述差值error进行积分控制，获得第二输出信号；对所述差值error进行微分控制，获得第三输出信号；对所述第一输出信号、所述第二输出信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐东，张少光，刘敬猛，王建华，张静，黄倩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11