一种具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法

技术领域

本公开实施例涉及航行器的控制方法技术领域，尤其涉及一种具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法。

背景技术

自然界中存在各种各样的依靠胸鳍、尾鳍推进的水生生物和扑翼飞行生物。这些生物由于自身演变出的特性，具备在特定的生存环境下超凡的运动性能。研究人员通过模仿这些生物的特性和运动机理开发了各式各样的多驱动机构，并广泛的应用于水质监测、海洋搜救、战场侦测等场景。根据这些需求，多驱动机构需要具有很强的运动灵活度和运动模态切换能力，因此对机构的运动模态快速切换有了更高的要求。然而对于现有的多驱动机构，都受限于各自的运动形式，只能以扑动或滑翔的单一运动状态执行工作任务，这极大限制了多驱动机构的工作能力与应用场景。

学者研究表明，节律运动由动物的脊髓神经中的中央模式发生器（CentralPattern Generator，CPG）控制。CPG是一种神经网络，是由多个神经元构成的振荡网络，通过神经元的相互连接实现自激振荡，产生具有稳定相位关系的周期信号。所有CPG单元通过拓扑连接关系形成CPG神经网络，从而控制生物的诸多运动模态。传统的CPG相位振荡器模型仅能输出幅值不断变化的信号，从而实现扑动模态，难以将输出信号保持在某个偏置角度，实现滑翔模态。故采用传统的CPG相位振荡器模型实现多驱动机构的滑翔与扑动模态切换十分困难，需要设计一种新的CPG相位振荡器模型。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法，用以解决现有技术中存在的传统CPG相位振荡器模型难以实现多驱动机构的滑翔与扑动模态切换的问题。

根据本公开实施例，提供一种具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法，该方法包括：

通过姿态传感器获取航行器当前的姿态；其中，所述姿态包括滑翔模态和扑动模态；

利用CPG相位振荡器的固有频率、耦合权重和期望相位差，进行所述滑翔模态和所述扑动模态的切换；

其中，所述航行器为所述扑动模态时，所述CPG相位振荡器通过振幅方程控制扑动幅度，所述振幅方程的表达式为：

式中，所述

所述CPG相位振荡器通过振幅偏置方程控制所述航行器的输出信号，使所述输出信号成为非对称信号；其中，所述振幅偏置方程的表达式为：

式中，

所述CPG相位振荡器通过控制期望相位差过渡方程，使从所述滑翔模态与所述扑动模态之间的切换过渡顺滑，所述期望相位差过渡方程的表达式为：

式中，

所述CPG相位振荡器通过相位方程控制所述航行器各个驱动之间的相位关系，所述相位方程的表达式为：

式中，

所述输出值的输出方程的表达式为：

式中，

所述航行器为所述扑动模态时，通过所述CPG相位振荡器控制频率饱和方程调节所述固有频率，控制单元耦合饱和方程调节所述耦合权重，控制期望相位差饱和方程调节所述期望相位差，以控制所述滑翔模态和所述扑动模态的切换，所述频率饱和方程的表达式为：

式中，

所述单元耦合饱和方程的表达式为：

式中，

所述期望相位差饱和方程的表达式为：

式中，

所述CPG相位振荡器的模型为：

式中，

通过所述CPG相位振荡器控制所述频率饱和方程调节设定的所述常数

通过所述CPG相位振荡器控制频率饱和方程调节所述固有频率，控制单元耦合饱和方程调节所述耦合权重，控制期望相位差饱和方程调节所述期望相位差，以控制所述滑翔模态和所述扑动模态的切换的步骤中，包括：

当

当

通过改变所述固有频率和所述耦合权重，能够使所述CPG相位振荡器的输出进行节律信号与定常信号的切换，以实现间歇性滑扑切换的功能。

通过控制所述期望相位差是否为0，实现所述滑翔模态和所述扑动模态的顺滑切换。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法，当

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出本公开示例性实施例中一种具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法的步骤图；

图2示出本公开示例性实施例中具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法的原理示意图；

图3示出本公开示例性实施例中传统的CPG相位振荡器的输出图；

图4示出本公开示例性实施例中本申请的CPG相位振荡器的输出图；

图5示出本公开示例性实施例中仿蝠鲼航行器为滑翔模态时的原理图；

图6示出本公开示例性实施例中仿蝠鲼航行器为扑动模态时的示意图；

图7示出本公开示例性实施例中汽车的雨刷器为摆动模态时的示意图；

图8示出本公开示例性实施例中汽车的雨刷器为停止模态时的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中提供了一种具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法。参考图1中所示，该具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法可以包括：步骤S101~步骤S102。

步骤S101：通过姿态传感器获取航行器当前的姿态；其中，所述姿态包括滑翔模态和扑动模态；

步骤S102：利用CPG相位振荡器的固有频率、耦合权重和期望相位差，进行所述滑翔模态和所述扑动模态的切换；

其中，所述航行器为所述扑动模态时，所述CPG相位振荡器通过振幅方程控制扑动幅度，所述振幅方程的表达式为：

式中，所述

所述CPG相位振荡器通过振幅偏置方程控制所述航行器的输出信号，使所述输出信号成为非对称信号；其中，所述振幅偏置方程的表达式为：

式中，

所述CPG相位振荡器通过控制期望相位差过渡方程，使从所述滑翔模态与所述扑动模态之间的切换过渡顺滑，所述期望相位差过渡方程的表达式为：

式中，

所述CPG相位振荡器通过相位方程控制所述航行器各个驱动之间的相位关系，所述相位方程的表达式为：

式中，

所述输出值的输出方程的表达式为：

式中，

所述航行器为所述扑动模态时，通过所述CPG相位振荡器控制频率饱和方程调节所述固有频率，控制单元耦合饱和方程调节所述耦合权重，控制期望相位差饱和方程调节所述期望相位差，以控制所述滑翔模态和所述扑动模态的切换，所述频率饱和方程的表达式为：

式中，

所述单元耦合饱和方程的表达式为：

式中，

所述期望相位差饱和方程的表达式为：

式中，

具体的，如图2所示，为具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法的原理示意图。可以看出，通过频率饱和方程调节固有频率，通过单元耦合饱和方程调节耦合权重，通过期望相位差饱和方程调节期望相位差。当

以仿蝠鲼航行器为例，若仿蝠鲼航行器保持扑动模态，通过振幅方程、相位方程、振幅偏置方程、期望相位差过渡方程和输出方程，便可以控制CPG单元实现如图3的周期性节律输出。其中，通过振幅方程控制扑翼的扑动幅度；通过相位方程实现蝠鲼航行器各个驱动的相位关系；通过振幅偏置方程使信号成为非对称的信号，以使输出信号更符合生物的运动形式；通过期望相位差过渡方程控制多个单元的相位切换，各个单元之间的过渡更为顺滑；输出方程控制扑翼的扑动角度。

更具体的，通过设定

此外，当处于滑翔模态时，令

下面，将参考图1至图8对本示例实施方式中的上述具有滑扑切换功能的仿生机器人的控制方法的各个步骤进行更详细的说明。

在一个实施例中，本申请具体实施的相位振荡器构建过程包括以下步骤：

传统的CPG相位振荡器模型如下，其输出的信号是节律信号，无法实现由扑动模态切换到滑翔模态所需的固定角度偏转信号的转变：

其中，第一个方程为振幅方程，所述

传统相位振荡器的输出如图3所示，设定

构建振幅偏置方程引入振幅偏置，其表达式为：

其中，

输出方程表示为：

其中，

构建期望相位差过渡方程来实现滑翔与扑动模态之间过渡顺滑，其表达式为：

式中，

构建频率饱和方程，其表达式为：

其中，

构建单元耦合饱和方程，其表达式为：

式中，

构建期望相位差饱和方程，其表达式为：

式中，

将建立的振幅偏置方程、输出方程、期望相位差过渡方程、频率饱和方程、单元耦合饱和方程与期望相位差饱和方程加入到传统的CPG相位振荡器模型中，得到改进后具有间歇性滑扑切换功能的CPG相位振荡器模型：

式中，

在一个实施例中，设置初始变量

在一个具体的实施例中，将本申请中的CPG相位振荡器应用于仿蝠鲼航行器的滑扑切换控制当中，如图5和图6所示。仿蝠鲼航行器左右两侧的胸鳍均包含2个舵机，左侧胸鳍舵机命名为舵机1和舵机2，右侧胸鳍舵机命名为舵机3和舵机4。每个舵机由一个CPG相位振荡器单元控制，舵机1、舵机2、舵机3和舵机4间的相互联系通过CPG相位振荡器模型中的相位方程中的期望相位差控制，舵机1和舵机3保持同步运动。其中，图5示出，

在另一个具体的实施例中，将本申请提出的CPG相位振荡器还能应用于汽车的雨刷器摆动控制中（且并不局限应用于汽车的雨刷器中），如图7和图8所示。雨刷器摆动控制简图中包含2个舵机，分别命名为舵机1和舵机2。舵机间相互连接的杆分别命名为连接3、连接4、连接5、连接6和连接7。舵机之间通过杆进行连接。图7示出，当舵机1和舵机2输入频率

通过频率饱和方程调节固有频率，通过单元耦合饱和方程调节耦合权重，通过期望相位差饱和方程调节期望相位差；通过振幅方程控制扑翼的扑动幅度；通过相位方程实现蝠鲼航行器各个驱动的相位关系；通过振幅偏置方程使信号成为非对称的信号，以使输出信号更符合生物的运动形式；通过期望相位差过渡方程控制多个单元的相位切换，各个单元之间的过渡更为顺滑；输出方程控制扑翼的扑动角度。当

通过所述CPG相位振荡器控制频率饱和方程调节设定的常数

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。