CN109866904A - 一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法，属于仿生机器人控制领域。现有的非线性振荡器在仿生机器人的节奏性运动控制存在频率和幅值的收敛速度慢的问题，且缺少相应的速度控制方法。一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法，设计仿生水母动力模型；建立仿生水母各关节的振荡器模型，改变振荡器的波形；设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，实现仿生水母运动的控制，根据运动控制绘制频率与平均速度变化曲线，找到对应的运动频率，推算周期性速度变化曲线作为期望速度；按照期望速度控制速度。本发明算法对仿生水母的运动收敛性好，能稳定控制运动速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生机器人的控制方法，特别涉及一种仿生水母的运动控制和速度控制方法。
背景技术
相比其他鱼类，水母具有体积小，重量轻，柔韧性高，代谢率低等特点，能有效利用水流的波动运动。利用这些特征，人们开始对仿生水母的研究感兴趣，旨在开发仿生水母样机。
在工程上仿生水母也有很多重要的应用场景。仿生水母可以在环境复杂的水域进行作业并且还具有很大的腔内空间可以用于放置仪器设备，在海洋生物考察、海洋救援、海洋资源勘探等场景下扮演着重要的角色。此外，仿生水母具有更低的噪音、更强的隐蔽性及运动稳定性的特点，在探测侦查中不易被发现，相比于其他水下机器人具有显著的优势。
仿生机器人在时序和空间上的协调运动是研究的两个核心问题，对于该问题通常是对生活中的生物运动的规律进行总结提取出运动模型。现代神经学发现高等动物的呼吸、行走等本能的有一定节奏性的行为是位于神经***中层的脊髓和脑干的中枢神经模式产生器发出的指令。随着仿生学的发展，我们用耦合的非线性振荡器来模拟中枢神经模式产生器(Central pattern generators，CPGs)发出的指令用于控制仿生机器人的节奏性的运动。耦合的非线性振荡器常见的有用于仿生蝾螈、仿生鱼、仿生蛇等运动控制。
国内外对于仿生水母的控制方法研究较少。因此本发明专利设计了一种针对仿生水母类水下机器人的运动控制方法。
另外，随着科技的发展，仿生学越来越受到人们的关注。仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学。仿生学通过观察、模拟、制作生物的外形、运动机构、控制方式、推进原理来达到在传统工业中改进或者创新的原有技术的目的。由于水下生物通过千万年的进化，具有了在水下长时间生活的能力和特性。如果将水下生物所具有的特性，通过设计制作集成到水下机器人中，可以使得水下机器人同样具有良好的续航能力、较低的噪音等优良特性。
在水下生物的推进模式中，摆动推进较为常见，而喷射推进的方式则更为原始。水母通过喷射推进具有良好的平稳性以及灵活的运动能力，水母喷射推进的方式越来越得到大家的关注，人们开始研究仿生水母。相比其他鱼类，水母具有体积小，重量轻，柔韧性高，代谢率低等特点，能有效利用水流的波动运动。利用这些特征，人们开始对仿生水母的研究感兴趣，旨在开发仿生水母样机。
在工程上仿生水母也有很多重要的应用场景。仿生水母可以在环境复杂的水域进行作业并且还具有很大的腔内空间可以用于放置仪器设备，在海洋生物考察、海洋救援、海洋资源勘探等场景下扮演着重要的角色。此外，仿生水母具有更低的噪音、更强的隐蔽性及更好的运动稳定性的特点，在探测侦查中不易被发现，相比于其他水下机器人具有显著的优势。
由于仿生水母具有上述特征，研究人员开始关注仿生水母的发展以及研制，并开发了一些仿生水母样机。国内外出现了几种适用于仿生水母的运动控制方法，实现了仿生水母的直线运动、转向运动等运动方式，但是由于仿生水母运动的周期变化特性，速度、加速度等指标都存在周期性变化特点，还没有一种仿生水母速度控制的方法。
因此本发明专利基于中枢模式发生器(Central pattern generators，CPG)技术设计一种针对仿生水母类水下机器人的速度控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的非线性振荡器在仿生机器人的节奏性运动控制过程中，存在频率和幅值的收敛速度慢的问题，且存在的缺少关于仿生水母速度控制方法的问题，而提出一种基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法和速度控制方法。
一种基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、设计仿生水母动力模型；
步骤二、建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形；
步骤三、设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制。
一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、设计仿生水母动力模型；
步骤二、建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形；
步骤三、设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制；
步骤四、依据步骤三的运动控制过程绘制频率与平均速度变化曲线；
步骤五、在频率与平均速度变化曲线上根据平均期望速度找到对应的运动频率，再根据运动频率通过非谐波步态振荡器方程与仿生水母动力学方程结合的结果推算出稳定后的周期性速度变化曲线，并将其作为期望速度；
步骤六、按照获得的期望速度，通过PID进行速度控制。
本发明的有益效果为：
本发明实现了振荡器模型在频率以及幅值的影响下的收敛速度，本发明设计的振荡器模型在频率和幅值的影响下都能在半个运动周期内达到期望的收敛效果，具有良好的收敛以及稳定性与现有两种技术方案相比：
对于现有的CPGs振荡器，虽然其提出了一种基于CPGs的振荡器模型，相比于Hopf振荡器具有更快的幅值、频率收敛速度，将该方法运用于仿生鱼类机器人，运动效果较好。但本发明算法与其相比，频率和幅值的收敛速度更加平滑，并且在幅值、频率小幅变化或遇到小的扰动时具有更快的收敛速度。
对于现有的三角波形控制方法，其提出了一种基于三角波形的仿生机器人运动控制方法，通过该方法实现了仿生水母的避障行为。但本发明算法与其相比，运动的收敛过程更加平滑，并且控制输出曲线不存在极点突变的情况。
本发明通过对仿生水母速度控制的研究，实现了振荡器模型在频率以及幅值的影响下的收敛速度，本发明设计的振荡器模型在频率和幅值的影响下都能在半个运动周期内达到期望的收敛效果，具有良好的收敛以及稳定性。本发明专利所提出的适用于仿生水母的速度控制方法，结合现有的Hopf振荡器和三角波形控制方法所具有的仿生水母转向的运动、直线运动的运动方式的控制性能，能按照预期速度实现对仿生水母的速度的稳定控制。
附图说明
图1为本发明涉及的运动控制的方法的流程图；
图2为本发明涉及的运动控制的方法的非谐波步态表示图；
图3为本发明涉及的运动控制的方法的水母排水推进示意图；
图4为本发明涉及的运动控制的方法的仿生水母振荡器耦合关系图；
图5为本发明设计的运动控制的方法的仿生水母各项尺寸参数示意图；
图6为本发明涉及的运动控制的方法的单振荡器频率切换图；
图7为本发明涉及的运动控制的方法的单振荡器幅值增大图；
图8为本发明涉及的运动控制的方法的单振荡器幅值减小图；
图9为本发明涉及的运动控制的方法的仿生水母速度变化曲线；
图10为本发明涉及的运动控制的方法的仿生水母位移变化曲线；
图11为本发明涉及的速度控制方法的方法流程图；
图12为本发明涉及的速度控制方法的非谐波步态表示图；
图13为本发明涉及的速度控制方法的水母排水推进示意图；
图14为本发明涉及的速度控制方法的仿生水母振荡器耦合关系图；
图15为本发明设计的速度控制方法的仿生水母各项尺寸参数示意图；
图16为本发明涉及的速度控制方法的频率稳定平均速度对应曲线；
图17为本发明涉及的速度控制仿真图；
图18为本发明涉及的速度控制方法的步骤四--步骤六的速度控制实现流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、设计仿生水母动力模型；
步骤二、建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形；
步骤三、设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，所述的步骤一中，设计仿生水母动力模型的过程为：
水母在水中的运动为带有规律节奏的周期性运动。水母的运动过程可以细分为收缩阶段和舒张阶段，水母的两个周期之间互相紧密衔接，为水母的运动提供源源不断的动力。影响仿生水母运动速度的主要因素是运动时排水的体积、收缩时间与舒张时间的比值。
由于仿生水母运动的特殊性，在腔体收缩的时候提供相对于运动方向正向的作用力，而在腔体舒张的时候会产生相对于运动反向的作用力，所以收缩时间与舒张时间的比值是考量仿生水母运动的重要参数。设收缩时间与舒张时间的比值为k。k位于0到1之间，k值越小仿生水母产生的推进力越大，得到的平均速度也越大。
由于仿生水母是依赖于排水推进的，所以单位时间内，排水体积越大能得到的正向的作用力也就越大。单位时间内频率对仿生水母运动的影响是频率越大，仿生水母运动收缩舒张次数越多，能提供的推力也就越大。
仿生水母的一个运动周期与真实水母的运动类似，是通过排水的方式推进的。
仿生水母的运动由舵机提供动力，舵机的绕轴转动使得仿生水母腔体内水的体积减少，促使仿生水母机械臂排水，排水使得仿生水母得到向前的推进力。
步骤一一、如图4所示，设计具有一组触手的仿生水母，按照真实水母的每个运动情况设计仿生水母的每个运动周期，由舵机为仿生水母提供运动的动力：
当舵机带动机械臂收缩时，拉动机械臂收缩到最小半径处，仿生水母腔内体积减小，产生向后排水的效果，通过机械臂排水的方式使得仿生水母得到向前的推进力，从而推进仿生水母前进；
当舵机带动机械臂舒张时，拉动机械臂回到舒张最大半径位置，仿生水母腔内体积增大，仿生水母一个运动周期结束；如图3所示的本发明涉及的水母排水推进示意图；
对仿生水母发送周期性运动控制信号，仿生水母即进行周期性收缩舒张运动；
步骤一二、仿生水母在水下受到推进力、流体阻力、附加质量力、惯性力的作用，综合上述受力情况得到仿生水母在运动过程中受力平衡方程为：
T＝D+G+F (1)
其中，T表示推进力，是仿生水母排出水产生的与排水方向相反的推进力；D表示流体阻力，是流体阻碍水母运动时产生的阻力；G表示附加质量力，是仿生水母运动姿态改变时带动四周流体加速引起的作用力；F表示惯性力，是仿生水母具有的惯性，为使仿生水母保持原有运动姿态的倾向，这种倾向表示为惯性作用力：
D(t)＝0.5Cd(t)ρS(t)v2(t) (3)
将式(1)-(5)联立，得到仿生水母动力学方程：
式中，Cd(t)表示形状阻力系数，α(t)表示附加阻力系数；且：
形状阻力系数
附加阻力系数
步骤一三、设计仿生水母各项尺寸参数，如图5所示：
侧面积、腔内液体体积，投影面积可用下述表达式表示，因为考虑的是腔内液体体积的变化，所以用腔内总体积变化替代，不用再减去涵道及水密舱体积；
z2(t)＝l1sin(θ1(t))+z1 (11)
z3(t)＝l2sin(θ2(t))+z2(t) (12)
d(t)＝max(2z2(t),2z3(t)) (13)
h(t)＝h1(t)+h2(t)+z1 (14)
h1(t)＝l1cos(θ1(t)) (15)
h2(t)＝l2cos(θ2(t)) (16)
其中，θ1∈(0°～90°),θ2∈(-45°～90°)；T表示推力；D表示流体阻力；G表示附加质量力；F表示惯性力；ρ表示所处流体密度；V表示仿生水母的腔内含流体体积；Sv表示仿生水母侧截面面积；Cd表示形状阻力系数；S表示为仿生水母投影面积；v表示仿生水母运动速度；α表示附加阻力系数；m表示水母质量；d(t)表示钟状体直径；h(t)表示钟状体高度；Cf,lam(t)表示表面摩擦阻力系数；Re(t)表示雷诺数；ν'表示流体运动粘度；τ表示调整切换速度的正时间常数；S(τy)表示单极S型函数，e-τy表示仿真形状为单极S型的函数；z1表示半球形头部半径；l1表示上臂长；h1表示上臂在中心线上的投影；z2表示上臂绕中心线画圆半径；θ1表示上臂与中心线夹角；l2表示下臂长；h2表示下臂在中心线上的投影；z3表示下臂绕中心线画圆半径；θ2表示下臂与中心线夹角；k表示仿生水母收缩时间与舒张时间的比值。
具体实施方式三：
与具体实施方式二不同的是，本实施方式的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，所述的步骤二中，建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形的过程，具体为：
步骤二一、利用单个振荡器模拟仿生水母一个关节的运动，将振荡器的幅值作为对应关节运动的幅值，将振荡器的频率作为对应关节运动的频率，将振荡器的耦合强度作为仿生水母运动时关节之间互相影响的程度；
步骤二二、在设计、选择合适的振荡器以及考虑振荡器的耦合方式时需要综合考虑以下因素：
1、CPG的总体结构，主要包括确定振荡器的类型和数量，以及振荡器的输出作为驱动关节的角度位置控制信号或者电机的力矩控制信号的选择。并且一般情况下，一个振荡器对应着机器人关节的一个自由度。
2、振荡器间耦合类型和拓扑结构，这将影响振荡器和产生步态之间的同步条件。
3、振荡器的波形，它决定了每一个周期内关节的运动轨迹，依赖于所选择的振荡器产生的何种波形，另外，也可以通过加入过滤器进行变换。
4、模型中参数对输出信号的影响，即控制参数可以如何调节振荡器的一些重要特性，比如振荡器的频率、幅度、相位滞后(在步态过渡中)或波形。
将振荡器应用于仿生水母还需要满足以下几点：
5、非线性方程应该简单，以减少微处理器的计算时间。
6、输出信号的频率，幅度和相位差的定义应清晰，以便控制信号的转换易于获取。
7、各种情况下幅值和频率的切换都有较好切换速度及稳定性。
8、反馈信号的影响，即反馈对CPG模型的调节作用。
将一个关节作为一个振荡器节点，振荡器选用Hopf振荡器，为中枢神经模式产生器的一种模型，通过振荡器的简谐振动模拟每个关节的运动；其中，Hopf振荡器很好的满足5、6两点，Hopf振荡器的基本模型为：
式中，xi,yi为第i个振荡器的输出量，且对应为仿生水母舵机的旋转角度；fi为第i个振荡器的振荡频率；
步骤二三、在步骤二二的基础上引入与振荡器幅值相关的参数，形成极限稳定环，即：
以及wi＝2πfi，
当满足：
当前幅值ri在稳定后趋近于幅值R；且在稳定后xi,yi的输出频率等于新改变的频率，则能够形成极限稳定环；
式中，h(xi,yi,R)为关于xi,yi,R的函数，R为稳定后的幅值；ri表示入当前幅值；
步骤二四、根据上述条件7，希望设计出一种频率幅值更快更稳定切换的振荡器模型，设计h(xi,yi,R)函数得到振荡器，振荡器以一定的幅值收敛实现关节的节律运动，并且还能够调节幅值和频率以改变关节的运动状态；其中，振荡器的方程为：
其中，k为正项比例项系数；
步骤二五、将振荡器应用于仿生水母各关节处，且各个fi均相等，则fi为仿生水母的运动频率；振荡器的输出量xi,yi均可作为仿生水母的控制输入量，即对应各个关节的舵机旋转角度；R为稳定后输出波形的幅值，即仿生水母对应舵机旋转角度的范围，在应用时需要将R等比例放大或者缩小到仿生水母对应关节的期望运动的角度范围；k为正项比例项系数，当振荡器收到外界扰动或者调解振荡器的参数时，k值的大小对应振荡器收敛性能的好坏，k越大振荡器收敛越快，应用在仿生水母时，k值需要根据实际舵机的性能而定，并非越大越好。
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，所述的仿生水母的运动频率fi采用Chunlin Zhou给出一种生成非谐波步态的方式，如图2所示，设一个周期所涉及的不同频率引起波形不对称性，波形的形状决定频率的切换，设较高频分量f1是上升相位，较低频分量f2是下降相位，则：
则总的频率可以表示为：
式中，f表示总频率；f1表示上升相位频率；f2表示下降相位频率；α表示上升段周期占总周期的比例。
具体实施方式五：
与具体实施方式四不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，所述的步骤三中，设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制的过程，具体为：
对于动物或者人的运动都不仅仅是一个关节的运动，会涉及到多个关节相互配合协调，最终达到某一种运动方式的目的。例如人的行走，就会涉及髋关节、膝关节、踝关节等多个关节的协同。所以仿生水母也需要由多个振荡器之间的耦合，来建立振荡器之间的联系，实现整体的协调运动的控制。
步骤三一、设计两个振荡器之间的耦合方式，为：
式中，cixj为第i个关节受到第j个关节x维度输出量的耦合强度；
若c1c2≠0，则为双向耦合；
若c1＝0||c2＝0，则为单向耦合；
步骤三二、建立多个振荡器之间的耦合方式，表达为：
当k＝i时，ck＝0；
步骤三三、将振荡器的耦合通过有向图的形式表达，每个振荡器节点为一个顶点，振荡器之间的耦合为边，耦合强度为边的长度；
例如3个振荡器的耦合方式可表示为下述矩阵，为振荡器i中的耦合项cjxj，其中
上述部分是关于振荡器的通用耦合方式，若将振荡器应用于仿生水母，之后需要根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态切换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式。
具体实施方式六：
与具体实施方式五不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，图4展示了本发明专利仿生水母振荡器的布置及耦合关系。
所述的步骤三三中，根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态转换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式，具体为：
振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；
仿生水母每根触手视为一支驱动机构，则各支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；而每支运动机构的上下臂之间运动存在着互相影响的情况，则只对每支运动机构上下臂之间采用耦合；
因为单向耦合相比于双向耦合能减少计算量，并且在快速步态转换不是关键要求的情况下也能满足仿生机器人的实际应用，所以在本文中，我们两个振荡器之间采用单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间主要是由于上臂的摆动对下臂的运动带来的影响，采用下端耦合上端的单向耦合方式，且单向耦合耦合因子设置于下臂的振荡器方程中。
具体实施方式七：
与具体实施方式六不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为4-8根。
具体实施方式八：
与具体实施方式七不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为4根。
具体实施方式九：
与具体实施方式八不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为6根。
具体实施方式十：
与具体实施方式就不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为8根。
具体实施方式十一：
与具体实施方式十不同的是，本实施方式基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，仿生水母的振荡器模型与上述的模型都略有不同，主要取决于仿生水母的外形及运动方式的特殊性。本发明采用的所述的仿生水母设计模型具有8个关节，采用的振荡器为8个振荡器；仿生水母有4支驱动机构关于中心线中心对称分布，每支驱动机构由两个关节构成，振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；对于4支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；每支运动机构，上下臂之间运动存在着互相影响，只对每支运动机构上下臂之间采用耦合；因为单向耦合相比于双向耦合能减少计算量，并且在快速步态转换不是关键要求的情况下也能满足仿生机器人的实际应用，所以采用两个振荡器单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间主要是由于上臂的摆动对下臂的运动带来的影响，所以单向耦合耦合因子在下臂的振荡器方程中；
对于每一方向的驱动机构采用下端耦合上端的单向耦合方式，对于不同方向的上端驱动机构采用相同的控制参数，以保证水母运动的协调一致性；耦合参数用矩阵来表示则为在8×8的耦合矩阵中，除了其他各项均为0；其中，表示上端驱动机构对下端驱动机构的耦合强度；对于耦合参数大小是根据在实验中调试确定。
具体实施方式十二：
本实施方式的一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，如图11所示，所述方法包括以下步骤：
步骤一、设计仿生水母动力模型；
步骤二、建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形；
步骤三、设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制；
由于仿生水母速度控制不同于其他仿生机器人，其速度在稳定后也是周期性变化的曲线，若要实现控制仿生水母的速度，则速度控制指对仿生水母周期内的平均速度的控制。但是所给出的期望平均速度无法直接用于运动控制。
振荡器的频率、幅值、波形不对称性比例均可作为仿生水母运动控制的参数输入，本发明中只将频率作为控制变量用于控制仿生水母的运动速度变化。
步骤四、依据步骤三的运动控制过程绘制频率与平均速度变化曲线；
步骤五、在进行速度控制时在频率与平均速度变化曲线上根据平均期望速度找到对应的运动频率，再根据运动频率通过非谐波步态振荡器方程与仿生水母动力学方程结合的结果推算出稳定后的周期性速度变化曲线，并将其作为期望速度；
步骤六、按照获得的期望速度，通过PID进行速度控制。附图18所示。
PID是指PID控制器，全名为比例-积分-微分控制器，是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性***响应速度以及减弱超调趋势。
这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正***。
具体实施方式十三：
与具体实施方式十二不同的是，本实施方式的一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，所述的步骤一中，设计仿生水母动力模型的过程为：
水母在水中的运动为带有规律节奏的周期性运动。水母的运动过程可以细分为收缩阶段和舒张阶段，水母的两个周期之间互相紧密衔接，为水母的运动提供源源不断的动力。影响仿生水母运动速度的主要因素是运动时排水的体积、收缩时间与舒张时间的比值。
由于仿生水母运动的特殊性，在腔体收缩的时候提供相对于运动方向正向的作用力，而在腔体舒张的时候会产生相对于运动反向的作用力，所以收缩时间与舒张时间的比值是考量仿生水母运动的重要参数。设收缩时间与舒张时间的比值为k。k位于0到1之间，k值越小仿生水母产生的推进力越大，得到的平均速度也越大。
由于仿生水母是依赖于排水推进的，所以单位时间内，排水体积越大能得到的正向的作用力也就越大。单位时间内频率对仿生水母运动的影响是频率越大，仿生水母运动收缩舒张次数越多，能提供的推力也就越大。
仿生水母的一个运动周期与真实水母的运动类似，是通过排水的方式推进的。
仿生水母的运动由舵机提供动力，舵机的绕轴转动使得仿生水母腔体内水的体积减少，促使仿生水母机械臂排水，排水使得仿生水母得到向前的推进力。
步骤一一、如图14所示，设计具有一组触手的仿生水母，按照真实水母的每个运动情况设计仿生水母的每个运动周期，由舵机为仿生水母提供运动的动力：
当舵机带动机械臂收缩时，拉动机械臂收缩到最小半径处，仿生水母腔内体积减小，产生向后排水的效果，通过机械臂排水的方式使得仿生水母得到向前的推进力，从而推进仿生水母前进；
当舵机带动机械臂舒张时，拉动机械臂回到舒张最大半径位置，仿生水母腔内体积增大，仿生水母一个运动周期结束；如图13所示的本发明涉及的水母排水推进示意图；
对仿生水母发送周期性运动控制信号，仿生水母即进行周期性收缩舒张运动；
步骤一二、仿生水母在水下受到推进力、流体阻力、附加质量力、惯性力的作用，综合上述受力情况得到仿生水母在运动过程中受力平衡方程为：
T＝D+G+F (1)
其中，T表示推进力，是仿生水母排出水产生的与排水方向相反的推进力；D表示流体阻力，是流体阻碍水母运动时产生的阻力；G表示附加质量力，是仿生水母运动姿态改变时带动四周流体加速引起的作用力；F表示惯性力，是仿生水母具有的惯性，为使仿生水母保持原有运动姿态的倾向，这种倾向表示为惯性作用力：
D(t)＝0.5Cd(t)ρS(t)v2(t) (3)
将式(1)-(5)联立，得到仿生水母动力学方程：
式中，Cd(t)表示形状阻力系数，α(t)表示附加阻力系数；且：
形状阻力系数
附加阻力系数
步骤一三、设计仿生水母各项尺寸参数，如图15所示：
侧面积、腔内液体体积，投影面积可用下述表达式表示，因为考虑的是腔内液体体积的变化，所以用腔内总体积变化替代，不用再减去涵道及水密舱体积；
z2(t)＝l1sin(θ1(t))+z1 (11)
z3(t)＝l2sin(θ2(t))+z2(t) (12)
d(t)＝max(2z2(t),2z3(t)) (13)
h(t)＝h1(t)+h2(t)+z1 (14)
h1(t)＝l1cos(θ1(t)) (15)
h2(t)＝l2cos(θ2(t)) (16)
其中，θ1∈(0°～90°),θ2∈(-45°～90°)；T表示推力；D表示流体阻力；G表示附加质量力；F表示惯性力；ρ表示所处流体密度；V表示仿生水母的腔内含流体体积；Sv表示仿生水母侧截面面积；Cd表示形状阻力系数；S表示为仿生水母投影面积；v表示仿生水母运动速度；α表示附加阻力系数；m表示水母质量；d(t)表示钟状体直径；h(t)表示钟状体高度；Cf,lam(t)表示表面摩擦阻力系数；Re(t)表示雷诺数；ν'表示流体运动粘度；τ表示调整切换速度的正时间常数；S(τy)表示单极S型函数，e-τy表示仿真形状为单极S型的函数；z1表示半球形头部半径；l1表示上臂长；h1表示上臂在中心线上的投影；z2表示上臂绕中心线画圆半径；θ1表示上臂与中心线夹角；l2表示下臂长；h2表示下臂在中心线上的投影；z3表示下臂绕中心线画圆半径；θ2表示下臂与中心线夹角；k表示仿生水母收缩时间与舒张时间的比值。
具体实施方式十四：
与具体实施方式十三不同的是，本实施方式的一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，所述的步骤二中，建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形的过程，具体为：
步骤二一、利用单个振荡器模拟仿生水母一个关节的运动，将振荡器的幅值作为对应关节运动的幅值，将振荡器的频率作为对应关节运动的频率，将振荡器的耦合强度作为仿生水母运动时关节之间互相影响的程度；
步骤二二、在设计、选择合适的振荡器以及考虑振荡器的耦合方式时需要综合考虑以下因素：
1、CPG的总体结构，主要包括确定振荡器的类型和数量，以及振荡器的输出作为驱动关节的角度位置控制信号或者电机的力矩控制信号的选择。并且一般情况下，一个振荡器对应着机器人关节的一个自由度。
2、振荡器间耦合类型和拓扑结构，这将影响振荡器和产生步态之间的同步条件。
3、振荡器的波形，它决定了每一个周期内关节的运动轨迹，依赖于所选择的振荡器产生的何种波形，另外，也可以通过加入过滤器进行变换。
4、模型中参数对输出信号的影响，即控制参数可以如何调节振荡器的一些重要特性，比如振荡器的频率、幅度、相位滞后(在步态过渡中)或波形。
将振荡器应用于仿生水母还需要满足以下几点：
5、非线性方程应该简单，以减少微处理器的计算时间。
6、输出信号的频率，幅度和相位差的定义应清晰，以便控制信号的转换易于获取。
7、各种情况下幅值和频率的切换都有较好切换速度及稳定性。
8、反馈信号的影响，即反馈对CPG模型的调节作用。
将一个关节作为一个振荡器节点，振荡器选用Hopf振荡器，为中枢神经模式产生器的一种模型，通过振荡器的简谐振动模拟每个关节的运动；其中，Hopf振荡器很好的满足5、6两点，Hopf振荡器的基本模型为：
式中，xi,yi为第i个振荡器的输出量，且对应为仿生水母舵机的旋转角度；fi为第i个振荡器的振荡频率；
步骤二三、在步骤二二的基础上引入与振荡器幅值相关的参数，形成极限稳定环，即：
以及wi＝2πfi，
当满足：
当前幅值ri在稳定后趋近于幅值R；且在稳定后xi,yi的输出频率等于新改变的频率，则能够形成极限稳定环；
式中，h(xi,yi,R)为关于xi,yi,R的函数，R为稳定后的幅值；ri表示入当前幅值；
步骤二四、根据上述条件7，希望设计出一种频率幅值更快更稳定切换的振荡器模型，设计h(xi,yi,R)函数得到振荡器，振荡器以一定的幅值收敛实现关节的节律运动，并且还能够调节幅值和频率以改变关节的运动状态；其中，振荡器的方程为：
其中，k为正项比例项系数；
步骤二五、将振荡器应用于仿生水母各关节处，且各个fi均相等，则fi为仿生水母的运动频率；振荡器的输出量xi,yi均可作为仿生水母的控制输入量，即对应各个关节的舵机旋转角度；R为稳定后输出波形的幅值，即仿生水母对应舵机旋转角度的范围，在应用时需要将R等比例放大或者缩小到仿生水母对应关节的期望运动的角度范围；k为正项比例项系数，当振荡器收到外界扰动或者调解振荡器的参数时，k值的大小对应振荡器收敛性能的好坏，k越大振荡器收敛越快，应用在仿生水母时，k值需要根据实际舵机的性能而定，并非越大越好。
具体实施方式十五：
与具体实施方式十四不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，所述的仿生水母的运动频率fi采用Chunlin Zhou给出一种生成非谐波步态的方式，如图12所示，设一个周期所涉及的不同频率引起波形不对称性，波形的形状决定频率的切换，设较高频分量f1是上升相位，较低频分量f2是下降相位，则：
则总的频率可以表示为：
式中，f表示总频率；f1表示上升相位频率；f2表示下降相位频率；α表示上升段周期占总周期的比例。
具体实施方式十六：
与具体实施方式十五不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，所述的步骤三中，设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制的过程，具体为：
对于动物或者人的运动都不仅仅是一个关节的运动，会涉及到多个关节相互配合协调，最终达到某一种运动方式的目的。例如人的行走，就会涉及髋关节、膝关节、踝关节等多个关节的协同。所以仿生水母也需要由多个振荡器之间的耦合，来建立振荡器之间的联系，实现整体的协调运动的控制。
步骤三一、设计两个振荡器之间的耦合方式，为：
式中，cixj为第i个关节受到第j个关节x维度输出量的耦合强度；
若c1c2≠0，则为双向耦合；
若c1＝0||c2＝0，则为单向耦合；
步骤三二、建立多个振荡器之间的耦合方式，表达为：
当k＝i时，ck＝0；
步骤三三、将振荡器的耦合通过有向图的形式表达，每个振荡器节点为一个顶点，振荡器之间的耦合为边，耦合强度为边的长度；
例如3个振荡器的耦合方式可表示为下述矩阵，为振荡器i中的耦合项cjxj，其中
上述部分是关于振荡器的通用耦合方式，若将振荡器应用于仿生水母，之后需要根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态切换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式。
具体实施方式十七：
与具体实施方式十六不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，图14展示了本发明专利仿生水母振荡器的布置及耦合关系。
所述的步骤三三中，根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态转换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式，具体为：
振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；
仿生水母每根触手视为一支驱动机构，则各支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；而每支运动机构的上下臂之间运动存在着互相影响的情况，则只对每支运动机构上下臂之间采用耦合；
因为单向耦合相比于双向耦合能减少计算量，并且在快速步态转换不是关键要求的情况下也能满足仿生机器人的实际应用，所以在本文中，我们两个振荡器之间采用单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间主要是由于上臂的摆动对下臂的运动带来的影响，采用下端耦合上端的单向耦合方式，且单向耦合耦合因子设置于下臂的振荡器方程中。
具体实施方式十八：
与具体实施方式十七不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为4-8根。
具体实施方式十九：
与具体实施方式十八不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为4根。
具体实施方式二十：
与具体实施方式十九不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为6根。
具体实施方式二十一：
与具体实施方式二十不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，步骤一一所述的设计具有一组触手的仿生水母的数量为8根。
具体实施方式二十二：
与具体实施方式二十一不同的是，本实施方式一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，仿生水母的振荡器模型与上述的模型都略有不同，主要取决于仿生水母的外形及运动方式的特殊性。本发明采用的所述的仿生水母设计模型具有8个关节，采用的振荡器为8个振荡器；仿生水母有4支驱动机构关于中心线中心对称分布，每支驱动机构由两个关节构成，振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；对于4支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；每支运动机构，上下臂之间运动存在着互相影响，只对每支运动机构上下臂之间采用耦合；因为单向耦合相比于双向耦合能减少计算量，并且在快速步态转换不是关键要求的情况下也能满足仿生机器人的实际应用，所以采用两个振荡器单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间主要是由于上臂的摆动对下臂的运动带来的影响，所以单向耦合耦合因子在下臂的振荡器方程中；
对于每一方向的驱动机构采用下端耦合上端的单向耦合方式，对于不同方向的上端驱动机构采用相同的控制参数，以保证水母运动的协调一致性；耦合参数用矩阵来表示则为在8×8的耦合矩阵中，除了其他各项均为0；其中，表示上端驱动机构对下端驱动机构的耦合强度；对于耦合参数大小是根据在实验中调试确定。
(1)、运动控制方法的仿真实验
将式(1)-(5)联立结合式(11)-(18)即可得到本发明专利所设计的仿生水母动力学模型。
动力学模型参数见表1、表2。
表1、表2为仿生水母的各项结构参数：
表1水母静态结构参数
表2其他参数
仿真分析
为验证本专利算法的可行性，频率、幅值对振荡器模型收敛速率的影响。通过改变振荡器的振荡频率或改变幅值对振荡器的输出量的影响，达到调节仿生机器人的运动状态的目的。所以振荡频率或者幅值的切换速度是衡量振荡器好坏的因素。理想的振荡器应该具有较快的频率和幅值的切换并具有稳定性，这样才能满足在实际各种情况下仿生机器人的应用。运用式(3)的单个振荡器模型。
图6为模拟单振荡器幅值不变，频率切换的情况：
从3s开始频率fi从1切换为2，切换时间约半个周期，幅值R为1，比例项系数k为10。图6中可以发现，该振荡器具有稳定性，并且在频率切换时响应速度较快。
模拟幅值的切换，频率fi为1，比例项系数k为10。图7幅值R在3s由1切换为2，图8在3s幅值R由2切换为1。对于幅值的切换分为幅值增加和减少两种情况，切换时间均小于一个周期。
本发明专利所设计的振荡器模型在频率和幅值的影响下都能在半个运动周期内达到期望的收敛效果，具有良好的收敛以及稳定性。下面将本发明专利所提出的运动控制方法结合仿生水母动力学模型进行仿真。
将式(6)至(18)结合表1、表2可得到适用于本文设计的仿生水母动力学方程，而式(22)、(23)、(21)、(26)、(27)连立即可得到适用于本文设计的仿生水母的非谐波步态耦合振荡器方程。将非谐波步态振荡器方程与仿生水母动力学方程结合进行仿生水母运动仿真即可得到图9、图10情况下的仿生水母速度位移变化曲线。
图9和图10为总频率0.2，α＝0.8，初始速度2m/s情况下的仿生水母速度随时间变化曲线和仿生水母位移随时间变化曲线。从图9可以看出在仿生水母机械臂收缩时速度迅速增加，在仿生水母机械臂舒张时速度缓慢减小，仿生水母的运动的稳定平均速度0.2017m/s。从图10可以看出虽然曲线存在较小的波动，但是仿生水母运动为持续向前运动姿态，仿生水母在40s时达到最大位移9.8233m。
(2)、速度控制方法的仿真实验
常用舵机最大旋转角速度为0.13s/60°，所以仿真时设置频率上限为2.6s-1。图16为α＝0.6、0.7、0.8，初始速度0m/s,频率采样范围[0,2.6]，采样频率0.1时频率与稳定后平均速度对应曲线。根据该曲线可以得到期望平均速度对应的运动频率。α＝0.7，初始速度为0.1，PID参数分别为10，1，1时，期望速度为1.326。
仿真分析
联立式(1)-(5)即可得到仿生水母动力学方程，将式(11)-(18)结合表1、表2的数据带入仿生水母动力学方程即可得到本发明专利所设计的仿生水母的动力学关系式。
将式(23)、(21)、(26)联立可以得到仿生水母非谐波振荡器模型，再将图14的振荡器耦合关系带入仿生水母非谐波振荡器模型中可以得到本专利所设计的仿生水母非谐波振荡器方程。最后将上述仿生水母的动力学关系式、仿生水母非谐波振荡器方程与本发明专利所提出的仿生水母速度控制方法相结合即可得到图17的仿真结果。从图17可以看出本发明专利所提出的仿生水母速度控制方法实现了仿生水母的速度控制，使仿生水母的均速稳定在1.326m/s。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、设计仿生水母动力模型；
步骤二、建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形；
步骤三、设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制。
2.根据权利要求1所述的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，设计仿生水母动力模型的过程为：
步骤一一、设计具有一组触手的仿生水母，按照真实水母的每个运动情况设计仿生水母的每个运动周期，由舵机为仿生水母提供运动的动力：
当舵机带动机械臂收缩时，拉动机械臂收缩到最小半径处，仿生水母腔内体积减小，产生向后排水的效果，通过机械臂排水的方式使得仿生水母得到向前的推进力，从而推进仿生水母前进；
当舵机带动机械臂舒张时，拉动机械臂回到舒张最大半径位置，仿生水母腔内体积增大，仿生水母一个运动周期结束；
对仿生水母发送周期性运动控制信号，仿生水母即进行周期性收缩舒张运动；
步骤一二、仿生水母在水下受到推进力、流体阻力、附加质量力、惯性力的作用，综合上述受力情况得到仿生水母在运动过程中受力平衡方程为：
T＝D+G+F (1)
其中，T表示推进力，是仿生水母排出水产生的与排水方向相反的推进力；D表示流体阻力，是流体阻碍水母运动时产生的阻力；G表示附加质量力，是仿生水母运动姿态改变时带动四周流体加速引起的作用力；F表示惯性力，是仿生水母具有的惯性，为使仿生水母保持原有运动姿态的倾向，这种倾向表示为惯性作用力：
D(t)＝0.5Cd(t)ρS(t)v2(t) (3)
将式(1)-(5)联立，得到仿生水母动力学方程：
式中，Cd(t)表示形状阻力系数，α(t)表示附加阻力系数；且：
形状阻力系数
附加阻力系数
步骤一三、设计仿生水母各项尺寸参数：
侧面积、腔内液体体积，投影面积表达式如下：
z2(t)＝l1sin(θ1(t))+z1 (11)
z3(t)＝l2sin(θ2(t))+z2(t) (12)
d(t)＝max(2z2(t),2z3(t)) (13)
h(t)＝h1(t)+h2(t)+z1 (14)
h1(t)＝l1cos(θ1(t)) (15)
h2(t)＝l2cos(θ2(t)) (16)
其中，θ1∈(0°～90°),θ2∈(-45°～90°)；T表示推力；D表示流体阻力；G表示附加质量力；F表示惯性力；ρ表示所处流体密度；V表示仿生水母的腔内含流体体积；Sv表示仿生水母侧截面面积；Cd表示形状阻力系数；S表示为仿生水母投影面积；v表示仿生水母运动速度；λ表示附加阻力系数；m表示水母质量；d(t)表示钟状体直径；h(t)表示钟状体高度；Cf,lam(t)表示表面摩擦阻力系数；Re(t)表示雷诺数；ν'表示流体运动粘度；τ表示调整切换速度的正时间常数；S(τy)表示单极S型函数，e-τy表示仿真形状为单极S型的函数；z1表示半球形头部半径；l1表示上臂长；h1表示上臂在中心线上的投影；z2表示上臂绕中心线画圆半径；θ1表示上臂与中心线夹角；l2表示下臂长；h2表示下臂在中心线上的投影；z3表示下臂绕中心线画圆半径；θ2表示下臂与中心线夹角；k表示仿生水母收缩时间与舒张时间的比值。
3.根据权利要求2所述的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，其特征在于：所述的步骤二中，建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形的过程，具体为：
步骤二一、利用单个振荡器模拟仿生水母一个关节的运动，将振荡器的幅值作为对应关节运动的幅值，将振荡器的频率作为对应关节运动的频率，将振荡器的耦合强度作为仿生水母运动时关节之间互相影响的程度；
步骤二二、将一个关节作为一个振荡器节点，振荡器选用Hopf振荡器，通过振荡器的简谐振动模拟每个关节的运动；其中，Hopf振荡器的基本模型为：
式中，xi,yi为第i个振荡器的输出量，且对应为仿生水母舵机的旋转角度；fi为第i个振荡器的振荡频率；
步骤二三、在步骤二二的基础上引入与振荡器幅值相关的参数，形成极限稳定环，即：
以及wi＝2πfi，
当满足：
当前幅值ri在稳定后趋近于幅值R；且在稳定后xi,yi的输出频率等于新改变的频率，则能够形成极限稳定环；
式中，h(xi,yi,R)为关于xi,yi,R的函数，R为稳定后的幅值；ri表示入当前幅值；
步骤二四、设计h(xi,yi,R)函数得到振荡器，振荡器以一定的幅值收敛实现关节的节律运动，并且还能够调节幅值和频率以改变关节的运动状态；其中，振荡器的方程为：
其中，k为正项比例项系数；
步骤二五、将振荡器应用于仿生水母各关节处，且各个fi均相等，则fi为仿生水母的运动频率；振荡器的输出量xi,yi均可作为仿生水母的控制输入量，即对应各个关节的舵机旋转角度；R为稳定后输出波形的幅值，即仿生水母对应舵机旋转角度的范围，在应用时需要将R等比例放大或者缩小到仿生水母对应关节的期望运动的角度范围；k为正项比例项系数，当振荡器收到外界扰动或者调解振荡器的参数时，k值的大小对应振荡器收敛性能的好坏，应用在仿生水母时，k值需要根据实际舵机的性能而定；其中，所述的仿生水母的运动频率fi采用非谐波步态的方式，设一个周期所涉及的不同频率引起波形不对称性，波形的形状决定频率的切换，设较高频分量f1是上升相位，较低频分量f2是下降相位，则：
则总的频率可以表示为：
式中，f表示总频率；f1表示上升相位频率；f2表示下降相位频率；α表示上升段周期占总周期的比例。
4.根据权利要求3所述的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制的过程，具体为：
步骤三一、设计两个振荡器之间的耦合方式，为：
式中，cixj为第i个关节受到第j个关节x维度输出量的耦合强度；
若c1c2≠0，则为双向耦合；
若c1＝0||c2＝0，则为单向耦合；
步骤三二、建立多个振荡器之间的耦合方式，表达为：
当k＝i时，ck＝0；
步骤三三、将振荡器的耦合通过有向图的形式表达，每个振荡器节点为一个顶点，振荡器之间的耦合为边，耦合强度为边的长度；之后根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态切换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式；其中，根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态转换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式，具体为：
振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；
仿生水母每根触手视为一支驱动机构，则各支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；而每支运动机构的上下臂之间运动存在着互相影响的情况，则每支运动机构上下臂之间采用耦合；
两个振荡器之间采用单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间采用下端耦合上端的单向耦合方式，且单向耦合耦合因子设置于下臂的振荡器方程中。
5.根据权利要求4所述的基于改进振荡器的仿生水母类水下机器人的运动控制方法，其特征在于：步骤一一所述的设计的仿生水母具有一组触手的数量为8根，仿生水母设计模型具有8个关节，采用的振荡器为8个振荡器；仿生水母有4支驱动机构关于中心线中心对称分布，每支驱动机构由两个关节构成，振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；对于4支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；每支运动机构，上下臂之间运动存在着互相影响，只对每支运动机构上下臂之间采用耦合；采用两个振荡器单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间主要是由于上臂的摆动对下臂的运动带来的影响，单向耦合耦合因子在下臂的振荡器方程中；
对于每一方向的驱动机构采用下端耦合上端的单向耦合方式，对于不同方向的上端驱动机构采用相同的控制参数，以保证水母运动的协调一致性；耦合参数用矩阵来表示则为在8×8的耦合矩阵中，除了其他各项均为0；其中，表示上端驱动机构对下端驱动机构的耦合强度。
6.一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、设计仿生水母动力模型；
步骤二、建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形；
步骤三、设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制；
步骤四、依据步骤三的运动控制过程绘制频率与平均速度变化曲线；
步骤五、在频率与平均速度变化曲线上根据平均期望速度找到对应的运动频率，再根据运动频率通过非谐波步态振荡器方程与仿生水母动力学方程结合的结果推算出稳定后的周期性速度变化曲线，并将其作为期望速度；
步骤六、按照获得的期望速度，通过PID进行速度控制。
7.根据权利要求5所述的一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，设计仿生水母动力模型的过程为：
步骤一一、设计具有一组触手的仿生水母，按照真实水母的每个运动情况设计仿生水母的每个运动周期，由舵机为仿生水母提供运动的动力：
当舵机带动机械臂收缩时，拉动机械臂收缩到最小半径处，仿生水母腔内体积减小，产生向后排水的效果，通过机械臂排水的方式使得仿生水母得到向前的推进力，从而推进仿生水母前进；
当舵机带动机械臂舒张时，拉动机械臂回到舒张最大半径位置，仿生水母腔内体积增大，仿生水母一个运动周期结束；
对仿生水母发送周期性运动控制信号，仿生水母即进行周期性收缩舒张运动；
步骤一二、仿生水母在水下受到推进力、流体阻力、附加质量力、惯性力的作用，综合上述受力情况得到仿生水母在运动过程中受力平衡方程为：
T＝D+G+F (1)
其中，T表示推进力，是仿生水母排出水产生的与排水方向相反的推进力；D表示流体阻力，是流体阻碍水母运动时产生的阻力；G表示附加质量力，是仿生水母运动姿态改变时带动四周流体加速引起的作用力；F表示惯性力，是仿生水母具有的惯性，为使仿生水母保持原有运动姿态的倾向，这种倾向表示为惯性作用力：
D(t)＝0.5Cd(t)ρS(t)v2(t) (3)
将式(1)-(5)联立，得到仿生水母动力学方程：
式中，Cd(t)表示形状阻力系数，α(t)表示附加阻力系数；且：
形状阻力系数
附加阻力系数步骤一三、设计仿生水母各项尺寸参数：
侧面积、腔内液体体积，投影面积表达式如下：
z2(t)＝l1sin(θ1(t))+z1 (11)
z3(t)＝l2sin(θ2(t))+z2(t) (12)
d(t)＝max(2z2(t),2z3(t)) (13)
h(t)＝h1(t)+h2(t)+z1 (14)
h1(t)＝l1cos(θ1(t)) (15)
h2(t)＝l2cos(θ2(t)) (16)
其中，θ1∈(0°～90°),θ2∈(-45°～90°)；T表示推力；D表示流体阻力；G表示附加质量力；F表示惯性力；ρ表示所处流体密度；V表示仿生水母的腔内含流体体积；Sv表示仿生水母侧截面面积；Cd表示形状阻力系数；S表示为仿生水母投影面积；v表示仿生水母运动速度；λ表示附加阻力系数；m表示水母质量；d(t)表示钟状体直径；h(t)表示钟状体高度；Cf,lam(t)表示表面摩擦阻力系数；Re(t)表示雷诺数；ν'表示流体运动粘度；τ表示调整切换速度的正时间常数；S(τy)表示单极S型函数，e-τy表示仿真形状为单极S型的函数；z1表示半球形头部半径；l1表示上臂长；h1表示上臂在中心线上的投影；z2表示上臂绕中心线画圆半径；θ1表示上臂与中心线夹角；l2表示下臂长；h2表示下臂在中心线上的投影；z3表示下臂绕中心线画圆半径；θ2表示下臂与中心线夹角；k表示仿生水母收缩时间与舒张时间的比值。
8.根据权利要求7所述的一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，其特征在于：所述的步骤二中，建立仿生水母各关节的振荡器模型，采用非谐波步态的生成方法改变振荡器的波形的过程，具体为：
步骤二一、利用单个振荡器模拟仿生水母一个关节的运动，将振荡器的幅值作为对应关节运动的幅值，将振荡器的频率作为对应关节运动的频率，将振荡器的耦合强度作为仿生水母运动时关节之间互相影响的程度；
步骤二二、将一个关节作为一个振荡器节点，振荡器选用Hopf振荡器，通过振荡器的简谐振动模拟每个关节的运动；其中，Hopf振荡器的基本模型为：
式中，xi,yi为第i个振荡器的输出量，且对应为仿生水母舵机的旋转角度；fi为第i个振荡器的振荡频率；
步骤二三、在步骤二二的基础上引入与振荡器幅值相关的参数，形成极限稳定环，即：
以及wi＝2πfi，
当满足：
当前幅值ri在稳定后趋近于幅值R；且在稳定后xi,yi的输出频率等于新改变的频率，则能够形成极限稳定环；
式中，h(xi,yi,R)为关于xi,yi,R的函数，R为稳定后的幅值；ri表示入当前幅值；
步骤二四、设计h(xi,yi,R)函数得到振荡器，振荡器以一定的幅值收敛实现关节的节律运动，并且还能够调节幅值和频率以改变关节的运动状态；其中，振荡器的方程为：
其中，k为正项比例项系数；
步骤二五、将振荡器应用于仿生水母各关节处，且各个fi均相等，fi为仿生水母的运动频率；振荡器的输出量xi,yi均可作为仿生水母的控制输入量，即对应各个关节的舵机旋转角度；R为稳定后输出波形的幅值，即仿生水母对应舵机旋转角度的范围，在应用时需要将R等比例放大或者缩小到仿生水母对应关节的期望运动的角度范围；k为正项比例项系数，当振荡器收到外界扰动或者调解振荡器的参数时，k值的大小对应振荡器收敛性能的好坏，应用在仿生水母时，k值需要根据实际舵机的性能而定；其中，所述的仿生水母的运动频率fi采用非谐波步态的方式，设一个周期所涉及的不同频率引起波形不对称性，波形的形状决定频率的切换，设较高频分量f1是上升相位，较低频分量f2是下降相位，则：
则总的频率可以表示为：
式中，f表示总频率；f1表示上升相位频率；f2表示下降相位频率；α表示上升段周期占总周期的比例。
9.根据权利要求8所述的一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，设计两个振荡器之间的耦合方式，由此确定建立多个振荡器之间的耦合方式，实现多个振荡器所在关节之间相互配合协调，完成各种运动方式，实现仿生水母整体协调运动的控制的过程，具体为：
步骤三一、设计两个振荡器之间的耦合方式，为：
式中，cixj为第i个关节受到第j个关节x维度输出量的耦合强度；
若c1c2≠0，则为双向耦合；
若c1＝0||c2＝0，则为单向耦合；
步骤三二、建立多个振荡器之间的耦合方式，表达为：
当k＝i时，ck＝0；
步骤三三、将振荡器的耦合通过有向图的形式表达，每个振荡器节点为一个顶点，振荡器之间的耦合为边，耦合强度为边的长度；之后根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态切换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式；
且步骤三三中，根据仿生水母的关节数量确定振荡器的数量；根据仿生水母的关节的对称性确定振荡器的分布方式；根据仿生水母关节之间的相关性，确定两个振荡器之间是否耦合；根据仿生水母的实际应用过程中步态转换频繁情况，确定采用单向耦合或双向耦合的方式，具体为：
振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；
仿生水母每根触手视为一支驱动机构，则各支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；而每支运动机构的上下臂之间运动存在着互相影响的情况，则每支运动机构上下臂之间采用耦合；
两个振荡器之间采用单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间采用下端耦合上端的单向耦合方式，且单向耦合耦合因子设置于下臂的振荡器方程中。
10.根据权利要求9所述的一种仿生水母类水下机器人的速度控制方法，其特征在于：步骤一一所述的设计仿生水母的一组触手的数量为4根，仿生水母设计模型具有8个关节，采用的振荡器为8个振荡器；仿生水母有4支驱动机构关于中心线中心对称分布，每支驱动机构由两个关节构成，振荡器的分布采用两两一组中心对称分布；对于4支驱动机构之间不采用耦合，使其可以独立运动，方便实现转向运动；每支运动机构，上下臂之间运动存在着互相影响，只对每支运动机构上下臂之间采用耦合；采用两个振荡器单向耦合的方式来驱动仿生机器水母的每个触手；而上下臂之间主要是由于上臂的摆动对下臂的运动带来的影响，单向耦合耦合因子在下臂的振荡器方程中；
对于每一方向的驱动机构采用下端耦合上端的单向耦合方式，对于不同方向的上端驱动机构采用相同的控制参数，以保证水母运动的协调一致性；耦合参数用矩阵来表示则为在8×8的耦合矩阵中，除了其他各项均为0；其中，表示上端驱动机构对下端驱动机构的耦合强度。
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