基于CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的撲翼型UUV運(yùn)動控制方法

沈 超, 劉明雍, 梁慶衛(wèi)

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基于CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的撲翼型UUV運(yùn)動控制方法

沈 超, 劉明雍, 梁慶衛(wèi)

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院, 陜西西安, 710072)

中樞模式發(fā)生器(CPG)是一種普遍存在于脊椎動物中, 用來自激產(chǎn)生節(jié)律運(yùn)動的低級神經(jīng)中樞。傳統(tǒng)的基于模型的機(jī)器人控制方法存在建模復(fù)雜、解不唯一、單周期規(guī)劃等問題, 特別是在需要多自由度協(xié)調(diào)控制的任務(wù)中, 缺乏足夠的實(shí)時(shí)性。由于CPG 在協(xié)調(diào)多自由度運(yùn)動方面的優(yōu)越性, 本文研究了撲翼對UUV運(yùn)動的影響, 并基于CPG模型給出一種運(yùn)動控制方法。利用反饋信息產(chǎn)生節(jié)律信號控制UUV左右撲翼的運(yùn)動模式; 調(diào)整CPG模型參數(shù)、反饋輸入與CPG輸出之間的關(guān)系, 設(shè)計(jì)了UUV直游和轉(zhuǎn)彎的反饋控制律。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

無人水下航行器; 中樞模式發(fā)生器; 撲翼航行器; 反饋控制

0 引言

水生動物經(jīng)過上億年的演變和進(jìn)化, 在優(yōu)勝劣汰中將其在水中的運(yùn)動能力發(fā)揮到了極致。其中魚類和鯨類等哺乳動物游動方式具有高速、高效、靈活且低噪等特點(diǎn), 其游動和控制姿態(tài)的能力是任何目前裝備傳統(tǒng)的操縱與推進(jìn)系統(tǒng)的潛航器所無法比擬的。近年來水下仿生機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為水下機(jī)器人的重要研究方向之一, 其中仿生撲翼型無人水下航行器(unmanned undersea vehicles, UUV)成為世界各國研究的熱點(diǎn)。

1994年, 為了研究魚類如何在水中以阻力最小的方式游動, 麻省理工學(xué)院制造了世界上第1條仿生魚RoboTuna。從此之后, 針對水下仿生機(jī)器人的研究便一發(fā)不可收拾。從美國Draper實(shí)驗(yàn)室的VCUUV, 到日本東京工業(yè)大學(xué)的機(jī)器海豚, 從美國東北大學(xué)的仿鰻魚機(jī)器人, 到哈爾濱工程大學(xué)的“仿生-I”, 這些都為人類模仿水生動物, 制造仿生推進(jìn)方式的水下無人潛航器作出了可行性驗(yàn)證。

與此同時(shí), Wilson發(fā)現(xiàn)神經(jīng)模式發(fā)生網(wǎng)絡(luò)以及20世紀(jì)80年代中樞模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG)建模和特性研究在足類機(jī)器人運(yùn)動控制與研究方面的成功運(yùn)用, 為仿生撲翼型UUV的節(jié)律運(yùn)動控制建模提供了很好的借鑒。

傳統(tǒng)的機(jī)器人控制方法基于其精確的動力學(xué)模型, 由于建模復(fù)雜、解不唯一、需要單周期規(guī)劃等缺點(diǎn), 使得越來越多的學(xué)者開始研究新型的機(jī)器人運(yùn)動控制方法。其中, CPG 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)器人需要多自由度協(xié)調(diào)控制的任務(wù)中顯現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性, 開始成為多關(guān)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動控制的新寵。本文考慮了單自由度撲翼UUV的運(yùn)動規(guī)律, 采用3個(gè)Kimura振蕩器模型, 建立帶反饋信號的CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型。仿真中, 通過對CPG模型參數(shù)的調(diào)節(jié), 實(shí)現(xiàn)了撲翼UUV的直游和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 撲翼UUV總體結(jié)構(gòu)

本文所研究的撲翼UUV總體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 由機(jī)身、翼板和尾舵組成。機(jī)身內(nèi)部包括以下幾個(gè)功能模塊: 主體模塊(包括殼體及其附件), 動力推進(jìn)模塊, 控制與通信模塊。

圖1 撲翼型無人水下航行器(UUV)總體結(jié)構(gòu)

該撲翼UUV采用單自由度仿生撲翼驅(qū)動裝置作為UUV運(yùn)動的唯一動力源, 航行器左右各安裝一組單自由度撲翼驅(qū)動裝置。電機(jī)組件依靠電池為其提供能源, 驅(qū)動減速器通過聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動傳遞給翼軸帶動撲翼擺動。根據(jù)海龜翼和身體的尺寸比例, 撲翼滑翔UUV將翼展長度設(shè)計(jì)為310 mm, 根部弦長70 mm, 其根部與尾部弦長比3:1。為了更加方便地控制航行器的升潛以及改變俯仰角等的縱向運(yùn)動, 也為了提高UUV運(yùn)動的穩(wěn)定性, 在其尾部還布置了水平舵來控制航行器的升潛運(yùn)動。

1.2 翼面受力分析

Anderson等對2D具有大的展弦比撲翼擺動的研究表明, 在形成逆卡門渦街時(shí)每個(gè)周期產(chǎn)生2個(gè)渦是最佳的運(yùn)動形式。通過研究可以將撲翼驅(qū)動力機(jī)理簡要?dú)w納為, 撲翼撲動運(yùn)動時(shí)在周圍產(chǎn)生的前緣渦、后緣渦組成逆卡門渦街, 而且二者相互作用, 為撲翼驅(qū)動提供推力。

本文中節(jié)律擺動的撲翼被對稱地安裝在航行器的兩側(cè), 每個(gè)撲翼由1個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動, 研究表明, 航行器由撲翼推進(jìn)時(shí), 其運(yùn)動力與力矩的表達(dá)式為

(2)

式中:是瞬時(shí)攻角;和c是攻角每變化1°時(shí)相關(guān)的力系數(shù)與力矩系數(shù);是航行器產(chǎn)生的俯仰力作用點(diǎn)到過質(zhì)心轉(zhuǎn)動軸的距離;為撲翼的長度;是航行器相對于流體的速度;表征俯仰力矩;是撲翼擺動距離。且

式中:()為瞬時(shí)俯仰角;為初始相位;和分別表示撲翼擺動幅值和俯仰角振蕩幅值;是振蕩頻率。另外, 撲翼產(chǎn)生的力在水平方向的分量為

(4)

由式(1)~式(4)可以確定UUV在僅由撲翼作為動力的情況下的推力情況。

2 CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

節(jié)律運(yùn)動(rhythmic movement)是高等動物中最常見的運(yùn)動方式之一。一切具有時(shí)間和空間對稱性的周期性運(yùn)動都屬于節(jié)律運(yùn)動, 如走、跑、跳、泳、飛等。節(jié)律運(yùn)動不是大腦的刻意控制行為, 而是低級神經(jīng)中樞的自激行為, 參見圖2。位于脊髓中的CPG自動產(chǎn)生節(jié)律運(yùn)動并控制改變不同的運(yùn)動模式。

圖2 脊椎動物神經(jīng)控制結(jié)構(gòu)圖

UUV撲翼的運(yùn)動模仿魚類胸鰭運(yùn)動模式, 可以視為典型的節(jié)律運(yùn)動, 通過控制撲翼的擺動頻率、攻角來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)和各種機(jī)動動作。因此, 文中將CPG模型應(yīng)用到撲翼UUV的運(yùn)動控制上, 利用CPG模型實(shí)現(xiàn)對左右兩翼的節(jié)律運(yùn)動控制。

利用CPG模型的最大優(yōu)勢在于給予常數(shù)輸入信號能得到有一定頻率的節(jié)律輸出信號y。本文采用Kimura振蕩器模型, 參見圖3。

圖3 Kimura的中樞模式發(fā)生器(CPG)神經(jīng)元模型

該模型是在Matsuoka模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn), 該振蕩器模型采用2個(gè)神經(jīng)元相互抑制形成振蕩器, 2個(gè)神經(jīng)元分別對應(yīng)動物的屈肌和伸肌控制神經(jīng)元, 2個(gè)神經(jīng)元的輸出相減, 作為振蕩器的輸出。

本文采用3個(gè)Kimura振蕩神經(jīng)元組成撲翼UUV的CPG控制模型, 如圖4所示。其中表示左翼神經(jīng)元,F表示右翼神經(jīng)元,表示尾舵神經(jīng)元, 每個(gè)神經(jīng)元都接收反饋輸入信號, 且每兩個(gè)神經(jīng)元都相互連接相互抑制。這里, 把模型中神經(jīng)元輸出的膜電勢信號y視為撲翼驅(qū)動電機(jī)的輸入電壓。

圖4 撲翼UUV的CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

上圖中的CPG模型采用Kimura振蕩器的數(shù)學(xué)表達(dá)式

式中:=1, 2, 3代表左右撲翼和尾舵神經(jīng)元;,分別代表第個(gè)振蕩器的屈肌、伸肌神經(jīng)元;u為神經(jīng)元的內(nèi)部狀態(tài);v為神經(jīng)元的自抑制;為外部常數(shù)輸入; feed為外部反饋輸入;代表白抑制對細(xì)胞內(nèi)部狀態(tài)的影響程度;T和T為時(shí)間常數(shù);=(1(≠), 0(=))為第和個(gè)振蕩器之間的連接權(quán)重。

該CPG模型與輸出間的關(guān)系有以下特性:1) 神經(jīng)元膜電勢輸出y的頻率取決于參數(shù)T與T。保證T和T保持一定的比例, 能使輸出信號的幅值保持恒定。利用這個(gè)特性可以控制UUV撲翼的拍動頻率及幅值大小。2) 改變參數(shù)feed能控制CPG輸出的平衡態(tài)位置, 在本文撲翼UUV模型中, 可以控制UUV撲翼拍動軸與來流的夾角, 實(shí)現(xiàn)其簡單的俯仰運(yùn)動。3) 當(dāng)feed超過某一臨界值時(shí), 第個(gè)神經(jīng)元會停止振蕩。在控制UUV的轉(zhuǎn)彎時(shí), 可采用此策略。

3 仿真試驗(yàn)

利用Matlab對在理想靜水條件下的撲翼UUV的CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法進(jìn)行仿真分析。

3.1 直游

在理想靜水條件下, UUV要保持直游, 需具備以下條件: 1) 左、右撲翼保持相同的頻率擺動; 2) 左、右撲翼應(yīng)具有相同的擺動相位初始值; 3) 左、右撲翼保持相同振幅擺動; 4) 左、右撲翼具有相同的初始位置偏移角。圖5為撲翼UUV直游時(shí)兩翼的電機(jī)輸入電壓, 可看出, 左右撲翼基本滿足靜水中航行器直行的4個(gè)條件, 能夠進(jìn)行直游運(yùn)動。表1為UUV直游時(shí)CPG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

圖5 撲翼UUV直游時(shí)兩翼的電機(jī)輸入電壓

表1 UUV直游時(shí)CPG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

(7)

3.2 轉(zhuǎn)彎

UUV左轉(zhuǎn)彎時(shí), 調(diào)整feed參數(shù)大小, 使左撲翼神經(jīng)元停止振蕩, 而右撲翼神經(jīng)元正常輸出振蕩膜電勢。這樣左撲翼驅(qū)動電機(jī)停止轉(zhuǎn)動, 右撲翼繼續(xù)保持拍動狀態(tài), UUV就會向左轉(zhuǎn)彎。

圖6為撲翼UUV左轉(zhuǎn)彎時(shí)兩翼的電機(jī)輸入電壓。可看出, 左邊撲翼振幅很小, 幾近停止振蕩, 而右邊撲翼保持與直游時(shí)同等幅度的輸出。這樣, 在靜水條件下, 能使UUV產(chǎn)生左轉(zhuǎn)彎行為。表2表示UUV左轉(zhuǎn)彎時(shí)CPG的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

圖6 撲翼UUV左轉(zhuǎn)彎時(shí)兩翼的電機(jī)輸入電壓

表2 UUV左轉(zhuǎn)彎時(shí)CPG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

UUV右轉(zhuǎn)彎時(shí), 調(diào)整feed參數(shù)大小, 使右撲翼神經(jīng)元停止振蕩, 而左撲翼神經(jīng)元正常輸出振蕩膜電勢。這樣右撲翼驅(qū)動電機(jī)停止轉(zhuǎn)動, 左撲翼繼續(xù)保持拍動狀態(tài), UUV就會向右轉(zhuǎn)彎。圖7表示撲翼UUV右轉(zhuǎn)彎時(shí)兩翼的電機(jī)輸入電壓。表3為UUV右轉(zhuǎn)彎時(shí)的CPG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

圖7 撲翼UUV右轉(zhuǎn)彎時(shí)兩翼的電機(jī)輸入電壓

Fig.7 Motor input voltage for both wings when a flapping-wing UUV is turning right

表3 UUV右轉(zhuǎn)彎時(shí)CPG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

從圖7可以看到, 右邊撲翼振幅很小幾近停止振蕩, 而左邊撲翼保持與直游時(shí)同等幅度的輸出。能夠使UUV產(chǎn)生右轉(zhuǎn)彎行為。

仿真表明, 采用Kimura振蕩神經(jīng)元組成的CPG控制模型能夠通過參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)撲翼UUV的直行與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。

4 結(jié)束語

本文將CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模應(yīng)用于對水下?lián)湟硇蚒UV的運(yùn)動控制之中, 和傳統(tǒng)的基于航行器動力學(xué)模型的控制算法相比, CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能有效避免復(fù)雜的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)建模, 并在協(xié)調(diào)多自由度運(yùn)動方面存在著巨大的優(yōu)越性。

仿真結(jié)果表明, 通過模擬生物CPG網(wǎng)絡(luò)中相互抑制輸出的神經(jīng)元, 能有效地產(chǎn)生撲翼驅(qū)動電機(jī)的輸入電壓, 從而控制撲翼的運(yùn)動模式, 對撲翼UUV進(jìn)行簡單的運(yùn)動控制。該方法有一定的理論和工程實(shí)用價(jià)值, 有望為水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動建模與控制方面提供理論研究。另外, 基于CPG所擅長的協(xié)調(diào)多自由度運(yùn)動的能力, 可以在后續(xù)工作中考慮二自由度的仿生撲翼對UUV運(yùn)動的影響并利用CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡單的運(yùn)動控制, 以及多關(guān)節(jié)可擺動魚身的仿生機(jī)器魚方面的研究。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

A CPG-based Method for Motion Control of Flapping-wing UUV

SHEN Chao, LIU Ming-yong, LIANG Qing-wei

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Traditional methods for robot motion control need complex dynamic and kinematic models, and are lack of real-time especially for the control tasks with multiple degrees of freedom (multi-dof). Central pattern generator (CPG) is good at dealing with multi-dof control tasks. This paper analyzes the flapping-wing’s influence on UUV’s motion, and proposes a CPG-based method for motion control of a flapping-wing UUV. The motion mode of the wings is controlled by using feedback signals, and two control laws for UUV′s straight and turning motions are designed by adjusting the relations among CPG parameters, feedback control input, and CPG output. Simulation result indicates that the CPG-based method is feasible and effective.

unmanned underwater vehicle(UUV); central pattern generator (CPG); flapping-wing vehicle; feedback control

TJ630.33; TJ765.1

A

1673-1948(2011)06-0438-05

2011-07-11;

2011-08-22.

國家自然科學(xué)基金(50979093), 新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃資助(NCET-06-0877), 西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JC200927).

沈 超(1986-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗聦?dǎo)航與控制.