一种基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼及其潜浮与避障控制方法

本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼及其潜浮与避障控制方法。

背景技术：

1、与常规水下机器人相比，仿生机器鱼具有高效率、高机动、高隐蔽等优势，适用于多种复杂的场景。目前业界已经发明了各式各样的蝠鲼式仿生机器鱼。例如，中国发明cn202210995754.x公开了一种蝠鲼式仿生鱼及其浮力调节方法，其包括基体部件和胸鳍，胸鳍通过体积可变的过渡部件对称设置在基体部件两侧，过渡部件为过渡板和柔性蒙皮组成的密闭空腔结构，空腔内充有油液并设有控制胸鳍运动的驱动机构；基体部件的中间隔板上安装有控制系统和浮力调节机构，浮力调节机构通过控制过渡部件内的油量，改变过渡部件中柔性蒙皮的体积进而改变仿生鱼所受的浮力。中国发明cn202311227974.9公开了一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其参照蝠鲼的外形与功能，在具有胸鳍与尾鳍扑动的功能下，为其额外添加了重浮力调节与螺旋桨推进装置。航行器利用左右胸鳍的扑动实现前游、转向等运动；利用重浮力调节实现滑翔运动，在扑动与滑翔运动时，利用尾鳍与水流的相互作用实现俯仰姿态的调节。中国发明cn202310513000.0公开了一种复合浮力调节装置、自主式水下航行器及其控制方法。该复合浮力调节装置将浮力调节机构和俯仰调节机构安装在一个密封舱中，利用活塞运动调节整体浮力，同时调节额外配重块实现俯仰调节。但上述发明有以下不足：第一个发明虽然通过调节两侧的油液实现仿生鱼的上浮和下潜，但是存在无法精确控制两侧油量的平衡的问题，导致调节浮力过程中仿生鱼重心偏移。第二个发明的胸鳍利用展向波和弦向波结合的扑动方式推力较小，虽然通过添加螺旋桨推进装置提高了推进效率，但是却存在同传统水下机器人同样的噪声大的问题。第三个发明在利用活塞式浮力调节机构调节浮力的同时需要额外的配重块来实现俯仰调节，存在占据空间大的问题。

2、相对于高机动性的尾鳍推进式仿生鱼，现有发明专利所提出的蝠鲼式仿生鱼主要以胸鳍作为推进机构，其游动时的稳定性较强而机动性较差，且蝠鲼式仿生鱼体型相对较大，仅依靠胸鳍扑动进行原地转向难以避开障碍物，尤其是在执行直线巡游任务时速度较快需要紧急避障的情况下。此外，对于蝠鲼式仿生鱼的深度调节，单独控制浮力来进行深度调节虽然能够以较低的能耗调节深度，但是在进行较大跨度的深度调节时，其调节速度较慢，且由于浮力调节装置的运行会导致整体重心的偏移，无法以指定的俯仰姿态调节深度。而使用胸鳍扑动结合尾鳍上下摆动来进行蝠鲼式仿生鱼的深度调节时，虽然深度调节的速度较快，但是其难以稳定地控制蝠鲼式仿生鱼处于固定深度，且该种调节方式能耗较高。不仅如此，在需要蝠鲼式仿生鱼进行水底作业时，由于依靠胸鳍或尾鳍进行水底着陆或水底安全起步时容易面临在拍动胸鳍和尾鳍过程中碰撞周围的环境进而造成结构损毁的问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种可以联合调节浮力、重心与胸鳍的高机动性蝠鲼式仿生鱼；本发明第二目的是提供一种在深度调节任务中，在能耗降低的同时实现快速准确的深度调节，且可以实现水底软着陆以及水底安全起步，有效提高蝠鲼式仿生鱼在水下作业和回收的安全性的蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法；本发明第三目的是提供一种遇到障碍物需要紧急避障时高机动性避障转向控制方法。

2、技术方案：本发明所述的基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼，包括基体和胸鳍，所述基体包括仿生外壳、中心舱和对称设置在中心舱两侧的供电舱，所述中心舱为密封结构，中心舱的重心调节辅助装置靠近仿生鱼的头部滑动设置，改变中心舱的重心位置，用于控制头部的俯仰角；所述供电舱包括密封法兰、舱体、浮力重心调节装置和进/排水法兰，密封法兰、舱体和浮力重心调节装置形成密封结构，浮力重心调节装置靠近仿生鱼的尾部滑动设置，改变浮力重心调节装置和进/排水法兰一侧的排水量，用于控制供电舱的浮力和重心位置；仿生外壳设有进/排水口。

3、进一步的，所述重心调节辅助装置包括密封舱法兰、直线舵机和配重单元，配重单元位于密封舱法兰内，直线舵机通过连接板和支架安装在密封舱法兰外侧，直线舵机的伸缩杆与配重单元连接，控制配重单元的位置。

4、进一步的，所述配重单元包括第一锂电池组、固定支座和安装板，固定支座和安装板通过连接杆连接，第一锂电池组安装在固定支座上。

5、进一步的，中心舱还包括控制系统、中心舱中间舱体、中心舱后密封法兰和中心舱后端盖。

6、进一步的，浮力重心调节装置包括直线舵机、第二锂电池组、活塞和活塞密封圈。

7、进一步的，供电舱两端设有数字舵机，胸鳍通过鳍条和连接支座与数字舵机连接；每个数字舵机配备一个cpg控制单元。

8、本发明所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法，包括以下步骤：

9、预设蝠鲼式仿生鱼的初始状态为悬浮状态，该状态下左侧供电舱和右侧供电舱的浮力重心调节装置的活塞位置分别为xl0和xr0，对应活塞行程的中间位置，定义活塞向外推动时为正方向，行程最大位置分别为xl0+xmax和xr0+xmax，行程最小位置分别为xl0-xmax和xr0-xmax，重心调节辅助装置的锂电池组所处位置为xa0，xa0对应第一锂电池组行程的中间位置，定义锂电池组向前推动时为正方向，行程最大位置为xa0+xamax，行程最小位置为xa0-xamax，柔性胸鳍处于初始水平位置，蝠鲼式仿生鱼当前浮力f浮等于当前重力g；

10、胸鳍由两个cpg控制单元控制；cpg模型为

11、

12、其中，ai、bi和xi为第i个振荡器的幅值、偏移量与相位；i＝1,2,3,4分别为与蝠鲼式仿生鱼左后、左前、右后和右前侧舵机相对应的相位振荡器；ai与bi分别为第i个振荡器的期望幅值与期望偏移量；αi与βi分别为幅值与偏移量的收敛系数；fi为摆动频率；μij为第i个振荡器与第j个振荡器之间的耦合系数；xj为第j个振荡器当前的相位；为第i个振荡器与第j个振荡器之间的相位差；θi为第i个相位振荡器输出的舵机角度；

13、定义距离目标深度阈值ε1、ε2、ε3，其中，ε1为蝠鲼式仿生鱼执行下潜任务或上浮任务时从快速下潜阶段切换到慢速滑翔下潜阶段或从快速上浮阶段切换到慢速滑翔上浮阶段的距离目标深度阈值；ε2为蝠鲼式仿生鱼从慢速滑翔下潜阶段切换到接近目标微调下潜阶段或从慢速滑翔上浮阶段切换到接近目标微调上浮阶段的距离目标深度阈值；ε3为蝠鲼式仿生鱼从接近目标微调下潜阶段或接近目标微调上浮阶段切换到抵达目标深度的距离目标深度阈值；

14、通过目标深度dtar与当前深度dt的差值大小|dtar-dt|与距离目标深度阈值ε1、ε2、ε3进行比较，进而切换到不同的上浮或下潜阶段。

15、进一步的，当(dtar-dt)＞0时，执行下潜任务；

16、当|dtar-dt|≥ε1时，进入快速下潜阶段，活塞从初始的中间位置线性移动至行程最小位置，排水量减小至最小值，蝠鲼式仿生鱼的浮力由中性浮力调整至最小浮力，此时浮力f浮小于重力g，重心前移，蝠鲼式仿生鱼由水平姿态调整为头部指向水底的姿态，并以此姿态朝着水底下潜，胸鳍以前后固定相位差固定幅值ai1、固定频率fi1和值为零的幅值偏置bi扑动，为蝠鲼式仿生鱼提供沿着头部指向方向即竖直向下的推力，实现蝠鲼式仿生鱼的快速下潜，直至ε1＞|dtar-dt|≥ε2；

17、当ε1＞|dtar-dt|≥ε2时，进入慢速滑翔下潜阶段，cpg控制器控制胸鳍调整至初始位置，中心舱的重心调节辅助装置的锂电池组的位置为xadown为

18、

19、蝠鲼式仿生鱼的重心逐渐后移，且当|dtar-dt|＝ε2时，重心调节辅助装置的锂电池组的位置调整至行程最小位置xa0-xamax，蝠鲼式仿生鱼的重心回到初始状态下的中心位置；在此过程中，蝠鲼式仿生鱼的俯仰姿态由竖直向下向上偏转并最终达到水平姿态；而蝠鲼式仿生鱼保持最小浮力继续下潜，蝠鲼式仿生鱼在慢速滑翔下潜阶段以向下减速滑翔并逐渐水平的姿态下潜，直至ε2＞|dtar-dt|≥ε1；

20、当ε2＞|dtar-dt|≥ε3时，进入接近目标微调下潜阶段，胸鳍保持初始水平位置，活塞从行程最小位置线性移动至靠近行程最小位置的行程位置；同时，将重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至靠近行程最小位置的行程位置，蝠鲼式仿生鱼的重心保持初始状态下的中心位置，蝠鲼式仿生鱼以水平姿态缓慢下潜，直至|dtar-dt|＜ε3；

21、当|dtar-dt|＜ε3时，进入抵达目标深度阶段，活塞性移动至中间位置，重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至中间位置，蝠鲼式仿生鱼以水平姿态悬停在目标深度或实现水底软着陆，任务完成。

22、进一步的，当即(dtar-dt)＜0时，判断蝠鲼式仿生鱼当前距水底的距离dt是否超出距离水底的安全距离ξ；

23、若dt＜ξ，则蝠鲼式仿生鱼保持胸鳍初始位置，活塞线性移动至靠近行程最大位置的行程位置，将重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至靠近行程最大位置的行程位置，蝠鲼式仿生鱼以水平姿态缓慢上浮，直至dt＞ξ；

24、当dt＞ξ时，蝠鲼式仿生鱼已超出距水底的安全距离，执行上浮任务；

25、当|dtar-dt|≥ε1时，进入快速上浮阶段，活塞从中间位置线性移动至行程最大位置，蝠鲼式仿生鱼的浮力由中性浮力调整至最大浮力，此时浮力f浮大于重力g，重心后移，蝠鲼式仿生鱼由水平姿态调整为头部向上指向水面的姿态，并以此姿态朝着水面上浮，此时，蝠鲼式仿生鱼利用所设计的基于相位振荡器的cpg控制器实现柔性胸鳍以前后固定相位差固定幅值ai1、固定频率fi1和值为零的幅值偏置bi扑动，为蝠鲼式仿生鱼提供沿着头部指向方向即竖直向上的推力，实现蝠鲼式仿生鱼的快速上浮，直至ε1＞|dtar-dt|≥ε2；

26、当ε1＞|dtar-dt|≥ε2时，进入慢速滑翔上浮阶段，胸鳍调整至初始位置，中心舱的重心调节辅助装置的锂电池组的位置xaup为

27、

28、该过程中，蝠鲼式仿生鱼的重心逐渐前移，且当|dtar-dt|＝ε2时，重心调节辅助装置的锂电池组的位置调整至行程最大位置xa0+xamax，蝠鲼式仿生鱼的重心回到初始状态下的中心位置；在此过程中，蝠鲼式仿生鱼的俯仰姿态逐渐由竖直向上向下偏转并最终达到水平姿态；而蝠鲼式仿生鱼保持最大浮力继续上浮，向上减速滑翔并逐渐水平的姿态上浮，直至ε2＞|dtar-dt|≥ε1；

29、当ε2＞|dtar-dt|≥ε1时，进入接近目标微调上浮阶段，胸鳍保持初始水平位置，活塞从行程最大位置线性移动至靠近行程最大位置的行程位置，同时，将重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至靠近行程最大位置的行程位置，蝠鲼式仿生鱼的重心保持初始状态下的中心位置，蝠鲼式仿生鱼以水平姿态缓慢上浮，直至|dtar-dt|＜ε3；

30、当|dtar-dt|＜ε3时，进入抵达目标深度阶段，活塞线性移动至中间位置，重心调节辅助装置的锂电池组的位置线性移动至中间位置，蝠鲼式仿生鱼以水平姿态悬停在目标深度，任务完成。

31、本发明所述基于浮力与重心联合调节的高机动性蝠鲼式仿生鱼的避障转向控制方法，包括以下步骤：

32、预设蝠鲼式仿生鱼的左前方和右前方与障碍物当前距离分别为dlt和drt，蝠鲼式仿生鱼当前直线前游速度为vt，蝠鲼式仿生鱼执行高机动性避障转向任务的速度阈值为v1，蝠鲼式仿生鱼进入高机动性大偏角转向模式的距离障碍物阈值为dis1，蝠鲼式仿生鱼进入高机动性小偏角转向模式的距离障碍物阈值为dis2；

33、预设cpg控制器在高机动性避障转向任务中的参数为固定相位差固定幅值ai2、固定频率fi2，动态调整幅值偏置bi，预设最大幅值偏置为bimax，幅值偏置bi＞0；

34、当游动速度vt≥v1且到障碍物的最小距离min(dlt,drt)≤dis1时，蝠鲼式仿生鱼自主执行高机动性避障转向任务；

35、当vt≥v1且dis1≥min(dlt,drt)≥dis2时，若dlt＞drt，进入高机动性小偏角左转模式，左侧供电舱的第一活塞从中间位置线性移动至行程最小位置，右侧供电舱的第二活塞从中间位置线性移动至行程最大位置，蝠鲼式仿生鱼前后方向重心保持平衡，左右方向浮心右移，蝠鲼式仿生鱼向左横滚偏转90°，呈现左右胸鳍在竖直方向且右胸鳍指向上方的姿态，蝠鲼式仿生鱼浮力等于重力，此时，蝠鲼式仿生鱼利用基于相位振荡器的cpg控制器实现柔性胸鳍以前后固定相位差固定幅值ai2、固定频率fi2和值为的幅值偏置扑动，为蝠鲼式仿生鱼提供向左转弯的力矩，实现蝠鲼式仿生鱼在三维空间下的高机动性小偏角左转，避开右侧障碍物；当蝠鲼式仿生鱼到障碍物的当前距离为dobst大于与障碍物的安全距离阈值为dissafe，且当前偏离初始航向的横向距离为dlatt大于偏离初始航向的横向安全距离阈值为dislatsafe时，第一活塞和第二活塞调整至初始的中间位置，胸鳍调整至初始零位，蝠鲼式仿生鱼左右方向的浮心回到中心位置，蝠鲼式仿生鱼向右横滚偏转至水平姿态，高机动性避障任务完成，继续执行巡航任务；

36、当vt≥v1且min(dlt,drt)＜dis2时，若dlt＞drt时，进入高机动性大偏角左转模式，第一活塞从初始的中间位置线性移动至行程最小位置，第二活塞从初始的中间位置线性移动至行程最大位置，蝠鲼式仿生鱼前后方向重心保持平衡，左右方向浮心右移，蝠鲼式仿生鱼向左横滚偏转90°，呈现左右胸鳍在竖直方向且右胸鳍指向上方的姿态，蝠鲼式仿生鱼浮力等于重力，此时，蝠鲼式仿生鱼利用基于相位振荡器的cpg控制器实现柔性胸鳍以前后固定相位差固定幅值ai2、固定频率fi2和值为bimax的幅值偏置扑动，为蝠鲼式仿生鱼提供更大的向左转弯的力矩，实现蝠鲼式仿生鱼在三维空间下的高机动性大偏角左转，避开右侧障碍物；当dobst＞dissafe且dlatt＞dislatsafe时，第一活塞和第二活塞调整至初始的中间位置，胸鳍调整至初始零位，蝠鲼式仿生鱼左右方向的浮心回到中心位置，蝠鲼式仿生鱼向右横滚偏转至水平姿态，高机动性避障任务完成，继续执行巡航任务；

37、当vt≥v1且dis1≥min(dlt,drt)≥dis2时，若dlt＜drt时，进入高机动性小偏角右转模式，第一活塞从初始的中间位置线性移动至行程最大位置，第二活塞从初始的中间位置线性移动至行程最小位置，蝠鲼式仿生鱼前后方向重心保持平衡，左右方向浮心左移，蝠鲼式仿生鱼向右横滚偏转90°，呈现左右胸鳍在竖直方向且左胸鳍指向上方的姿态，蝠鲼式仿生鱼浮力等于重力，此时，蝠鲼式仿生鱼利用基于相位振荡器的cpg控制器实现柔性胸鳍以前后固定相位差固定幅值ai2、固定频率fi2和值为的幅值偏置扑动，为蝠鲼式仿生鱼提供向右转弯的力矩，实现蝠鲼式仿生鱼在三维空间下的高机动性小偏角右转，避开左侧障碍物；当dobst＞dissafe且dlatt＞dislatsafe时，第一活塞和第二活塞调整至初始的中间位置，胸鳍调整至初始零位，蝠鲼式仿生鱼左右方向的浮心回到中心位置，蝠鲼式仿生鱼向左横滚偏转至水平姿态，高机动性避障任务完成，继续执行巡航任务；

38、当vt≥v1且min(dlt,drt)＜dis2时，若dlt＜drt，进入高机动性大偏角右转模式，第一活塞从初始的中间位置线性移动至行程最大位置，第二活塞从初始的中间位置线性移动至行程最小位置，蝠鲼式仿生鱼前后方向重心保持平衡，左右方向浮心左移，蝠鲼式仿生鱼向右横滚偏转90°，呈现左右胸鳍在竖直方向且左胸鳍指向上方的姿态，蝠鲼式仿生鱼浮力等于重力，此时，蝠鲼式仿生鱼利用基于相位振荡器的cpg控制器实现柔性胸鳍以前后固定相位差固定幅值ai2、固定频率fi2和值为bimax的幅值偏置扑动，为蝠鲼式仿生鱼提供更大的向右转弯的力矩，实现蝠鲼式仿生鱼在三维空间下的高机动性大偏角右转，避开左侧障碍物；当dobst＞dissafe且dlatt＞dislatsafe时，第一活塞和第二活塞调整至初始的中间位置，胸鳍调整至初始零位，蝠鲼式仿生鱼左右方向的浮心回到中心位置，蝠鲼式仿生鱼向左横滚偏转至水平姿态，高机动性避障任务完成，继续执行巡航任务。

39、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明通过集成左右供电舱的浮力重心调节装置与中心舱的重心调节辅助装置，有效实现了仿生鱼整体浮力和重心的精确控制，且以锂电池组为配重，无需额外增加配重块，提高了仿生鱼的机动性和续航能力；2、本发明提出的面向高机动性蝠鲼式仿生鱼的潜浮控制方法，通过协调浮力重心调节装置与重心调节辅助装置，配合cpg控制的柔性胸鳍，能够在上浮和下潜过程中实现浮力与俯仰姿态的联合调节；使得仿生鱼可以快速响应深度变化需求，具备在低能耗下实现快速、准确的深度调节，并能够执行水底软着陆和安全起步，有效避免了因水底环境复杂，直接拍动柔性胸鳍而导致蝠鲼式仿生鱼碰撞周围环境造成的结构损伤，显著提升了水下作业的安全性和稳定性；3.本发明所述的高机动性避障转向控制方法，结合左右浮力重心调节装置与胸鳍的不同幅值偏置扑动，使蝠鲼式仿生鱼能够在高速游动中实现三维空间的灵活转向，快速避开障碍物，避免结构损坏，有效提高了蝠鲼式仿生鱼在复杂环境中的生存能力。