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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切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，属于仿生机器鱼的控制技术领域。首先建立多胸鳍拍动式机器鱼通信场景，设计多胸鳍拍动式机器鱼之间的作用拓扑关系图，并建立单个胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型；然后采用最近邻连接方式对每个胸鳍拍动式机器鱼构建CPG拓扑网络，采用模糊闭环控制策略实现各机器鱼的航向和速度的定量控制；最后根据虚拟领导者‑跟随者编队跟踪算法，设计多胸鳍拍动式机器鱼在有向固定拓扑条件下的编队跟踪控制协议，并结合单个胸鳍拍动式机器鱼的动力学方程和运动学方程，实现胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制。本发明有效适应不同的编队队形，且通信负载小，实现了队形之间的优势互补。

主权项：1.一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，建立多胸鳍拍动式机器鱼通信场景，设计多胸鳍拍动式机器鱼之间的作用拓扑关系图，表明各胸鳍拍动式机器鱼之间的相互作用关系；步骤二，建立单个胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型；基于胸鳍拍动式机器鱼胸鳍拍动过程中的空间和时间非对称性特征、尾部拍动的空间和时间非对称性特征以及胸鳍与尾部的运动关系，建立胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型；步骤三，基于单个胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型，采用最近邻连接方式对每个胸鳍拍动式机器鱼构建CPG拓扑网络，确定每个机器鱼各CPG单元间的耦合关系；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CPG拓扑网络，生成该机器鱼S控制舵机的PWM信号；具体为：首先，根据当前机器鱼S中的传感器反馈的实际航向，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的CPG拓扑网络的参数输入，经CPG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，将胸鳍拍动式机器鱼编队的动力学方程转化为积分器动态模型，根据有向切换通信拓扑的虚拟领导者-跟随者编队跟踪算法，设计多胸鳍拍动式机器鱼在有向固定拓扑条件下的编队跟踪控制协议；所述的有向切换通信拓扑的虚拟领导者-跟随者编队跟踪算法，具体设计流程如下：步骤501，建立虚拟领导者-跟随者的系统模型，设计虚拟领导者与各跟随者之间的通信作用拓扑图，对于每个跟随者，存在一棵以虚拟领导者为根节点的生成树；所述的系统模型包含一个虚拟领导者和N个跟随者；虚拟领导者的状态模型表示为 其中表示虚拟领导者的状态，表示虚拟领导者的输入；各跟随者的状态模型表示为 其中表示跟随者集合，表示跟随者i对应的状态，表示跟随者i对应的控制输入；和表示系统矩阵，且B为列满秩矩阵，即rankB＝m；步骤502，设计不同拓扑切换的通信作用拓扑图，使切换的通信拓扑均包含有向生成树，编队队形在拓扑切换时刻重新组成目标编队进行运动；令切换拓扑集合为p≥1表示所有的有向通信拓扑图集合；定义切换拓扑关系信号指数为σt，其中定义t0＝0为初始时刻，0＝t0＜t1＜t2＜…＜tp表示切换拓扑关系信号指数的切换时刻；为t时刻的拓扑图；整个系统的通信拓扑关系在时间区间[tj,tj+1，内保持不变，即该时间区间内拓扑图是固定的；虚拟领导者-跟随者编队跟踪系统的拉普拉斯矩阵为： 其中表示t时刻跟随者内部之间的通信拓扑关系，表示虚拟领导者与跟随者之间的通信拓扑关系；步骤503，为跟随者设计编队参考函数，并判断其是否满足编队可行性条件，若是，则执行步骤504；否则，则重新选取跟随者的编队参考函数，直至满足编队可行性条件；跟随者的编队参考函数为为第i个跟随者的期望编队；编队可行性条件为： 其中步骤504，基于编队可行性条件，对编队跟踪算法相关的参数进行求解，进而得到编队跟踪控制协议；设计状态反馈的编队跟踪控制协议为： 其中为常数增益矩阵，是由编队参考函数ht决定的外部指令信号；步骤六，基于编队跟踪控制协议得到单个胸鳍拍动式机器鱼的动力学方程，并结合单个胸鳍拍动式机器鱼的运动学方程，使得跟随者机器鱼按照设计的编队队形跟随虚拟领导者轨迹进行编队跟踪运动，实现胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制。

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百度查询： 北京航空航天大学 一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法