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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：本发明公开了一种有向固定通信拓扑下胸鳍拍动式机器鱼编队控制方法，属于仿生机器鱼的控制技术领域。首先构建多胸鳍拍动式机器鱼群体，设计拓扑关系图。然后基于机器鱼胸鳍与尾部的非对称性特征以及运动关系，建立单个机器鱼的运动学模型，采用最近邻连接方式对每个机器鱼分别构建拓扑网络，确定每个机器鱼各CPG单元间的耦合关系，采用模糊闭环控制策略实现机器鱼的航向和速度的定量控制。最后利用虚拟领导者‑跟随者编队跟踪算法，基于拓扑关系图设计机器鱼群体在有向固定拓扑条件下的编队跟踪控制协议，并与单个机器鱼的运动学模型相结合，实现机器鱼群体运动过程中的编队队形控制。本发明能够快速形成期望的机器鱼编队队形，且队形稳定性高。

主权项：1.一种有向固定通信拓扑下胸鳍拍动式机器鱼编队控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，构建多胸鳍拍动式机器鱼群体，设计拓扑关系图表明各机器鱼之间的信息传输关系；具体为：设机器鱼群体中机器鱼的数量为N，则拓扑关系图中共包含N个节点，节点的集合表示为任意两个机器鱼之间的通信信息传输流向表示为ε，将机器鱼之间的信息流建模为通信图节点vi的邻居为：有信息流向节点vi的其它节点，集合定义为Ni＝{vj|vj,vi∈ε}；vi,vj表示节点vi到节点vj的信息传播流向，即节点vj接收节点vi的信息；如果vj,vi∈ε，则邻接系数aij＝1；否则，aij＝0；将所有邻接系数组成邻接矩阵表示为A＝[aij]N×N，不考虑节点自身之间的作用，即邻接矩阵的对角元素满足aii＝0；步骤二，基于机器鱼胸鳍与尾部的非对称性特征以及运动关系，建立单个机器鱼的运动学模型；机器鱼的运动学模型表示为： 式中，I和J表示控制机器鱼胸鳍拍动的CPG单元序号，取值为1-8，对应于驱动机器鱼胸鳍拍动的舵机编号；νI表示序号I的CPG单元频率输出，φI表示序号I的CPG单元相位输出，rI表示序号I的CPG单元振幅输出，xI表示序号I的CPG单元偏置输出，θI表示序号I的CPG单元角度输出，βI为序号I的CPG单元空间非对称系数，αI为序号I的CPG单元时间非对称系数；TI表示序号I的CPG单元周期，ωIJ表示序号I单元与序号J单元间的连接权重，表示序号I单元与序号J单元的期望相位差，RI为机器鱼胸鳍序号I的CPG单元的期望振幅，XI为机器鱼胸鳍序号I的CPG单元的期望偏置，k、aI和bI为正值常数；步骤三、根据单个机器鱼的运动学模型，采用最近邻连接方式对每个机器鱼分别构建拓扑网络，确定每个机器鱼各CPG单元间的耦合关系；构建拓扑网络时，相关参数是当前机器鱼中各CPG单元的期望相位差矩阵和耦合权重矩阵ω；拓扑网络的期望相位差矩阵表示为： 耦合权重矩阵ω确定CPG单元的拓扑连接形式，表示为： 步骤四，针对单个机器鱼S采用模糊闭环控制策略实现该机器鱼S的航向和速度的定量控制，并将航向参数和速度参数输入该机器鱼S的拓扑网络，生成该机器鱼S控制舵机的PWM信号；首先，根据当前机器鱼S中的传感器反馈实际航向，以及控制指令中心确定的期望航向，计算实际航向与期望航向的差作为航向模糊控制器的偏差输入；然后，将偏差输入通过航向模糊控制器进行查表运算，生成航向参数δY的值；最后，通过航向参数转换将δY转换为期望相位差，并作为当前机器鱼S拓扑网络的参数输入，经拓扑网络生成控制舵机的PWM信号；航向参数转换方程表示为： 其中，为序号I单元与序号J单元之间的期望相位差极大值，为非负数；当δY小于0，机器鱼左转弯，此时随着δY从0变到-1，右侧胸鳍鳍条间的期望相位差维持不变，左侧胸鳍鳍条间的相位差由变到δY绝对值越大，转弯速度越大半径越小；当δY大于0，机器鱼右转弯，此时随着δY从0变到1，左侧胸鳍鳍条间的期望相位差维持不变，右侧胸鳍鳍条间的相位差由变到同理，利用相应的模糊控制器和参数转换，得到速度参数δV和深度参数，并输入当前机器鱼S的拓扑网络，生成控制舵机的PWM信号；速度参数转换方程表示为： 其中，当δV小于0，表示机器鱼倒游；当δV大于0，表示机器鱼前游；δV的绝对值越大，速度绝对值越大；为振幅系数，kT为周期系数，T0为机器鱼胸鳍摆动周期；步骤五，将每个机器鱼的动力学方程转化为积分器动力学模型，利用虚拟领导者-跟随者编队跟踪算法，设计机器鱼群体在有向固定拓扑条件下的编队跟踪控制协议；编队跟踪控制协议设计流程如下：步骤501，根据机器鱼群体的拓扑关系图，设置一个虚拟领导者，所有机器鱼为跟随者，分别计算各自的积分器动力学模型；虚拟领导者到各个跟随者均具有一条有向路径，即生成树且虚拟领导者作为生成树的根节点；跟随者的积分器动力学模型表示为： 其中，是状态，是输入，跟随者集合B表示控制输入系数矩阵；虚拟领导者节点的积分器动力学模型表示为： 步骤502，设计编队参考函数ht，并判断其是否满足可行性条件，即虚拟领导者节点的积分器动力学模型中反馈增益矩阵K1是否存在，若是，则进行步骤503；否则，说明编队参考函数ht不可行，重新选取编队参考函数进行判断，直至达到可行性条件；所述的可行性条件为：对 其中，跟随者的编队队形为为第i个跟随者的期望编队；满足可行性条件时，得到的反馈增益矩阵K1为：K1＝-μBTPμ表示常系数，根据实际情况选取；步骤503，基于反馈增益矩阵K1求解线性矩阵不等式，基于正定对称矩阵P＞0，计算得到控制参数矩阵K2；线性矩阵不等式10为：A+BK1TP+PA+BK1T-αPBBTP＜010得到控制参数矩阵K2为：K2＝BTPα为时间非对称系数；步骤504，利用反馈增益矩阵K1和控制参数矩阵K2构造编队跟踪控制协议，将控制律与单个机器鱼的运动控制方程相结合，使得单个机器鱼按照给定的虚拟领导者轨迹进行跟随编队运动；编队跟踪控制协议为： 步骤六，将编队跟踪控制协议与单个机器鱼的运动学模型相结合，得到单个机器鱼的速度和位置，实现机器鱼群体运动过程中的编队队形控制。

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