CN109976233A - 一种三维运动机器鱼的运动控制方法及控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维运动机器鱼的运动控制方法及控制***，首先通过多个CPG单元的组合来形成机器鱼的运动控制网络，建立各CPG单元的CPG微分方程，然后利用Euler法对建立的CPG微分方程进行离散求解，计算方便，计算结果准确；对于节律运动控制的必须因素：相位差、频率和振幅通过CPG微分方程进行参数调整，可以通过对相位差、频率和振幅的分别调节或者同时调节来达到对最终输出信号z的调节；对于节律运动控制的必须因素通过明确的参数与之对应进行控制调节，游动步态更加稳定灵活、调节更方便，本发明对于进一步学习和理解真实鱼类与机器鱼的游动机理具有很大的促进作用，同时也为机器鱼不同运动模态的切换、机动性及灵活性的提高提供了理论基础。

Description

一种三维运动机器鱼的运动控制方法及控制***

技术领域

本发明属于仿生机器鱼领域，尤其是一种三维运动机器鱼的运动控制方法及控制***。

背景技术

基于运动学模型、动力学模型的运动控制方法是机器鱼控制中的经典控制方法，这两类方法控制思想简单、易于实现，但是具有限制机器鱼的机动性和灵活性、对参数突变的适应性差、不易调节和优化等致命的缺点。因此就诞生了一种新型的用于机器鱼运动控制的方法——基于中枢模式发生器(CPG)的运动控制方法，由于CPG控制方法可以产生稳定的节律信号、机动性和灵活性好、鲁棒性强，使得基于CPG的运动控制方法明显优于前两种方法，因此基于CPG模型的方法将成为未来主流的运动控制方法。但是，现有CPG模型一般较为复杂(如含有高度的非线性环节、计算困难等)，对于节律运动控制的必须因素，如相位、频率、幅值等，没有一个明确的参数与之对应，这给CPG模型的研究带来许多困难和应用上的不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维运动机器鱼的运动控制方法及控制***，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维运动机器鱼的运动控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、通过多个CPG单元的组合来形成机器鱼的运动控制网络，建立各CPG单元的CPG微分方程；

步骤2)、采用Euler法对各CPG单元的CPG微分方程进行离散化，CPG微分方程离散化方程如下：

其中,x_i(k)表示离散后第i个振荡器的膜电势，y_i(k)表示离散后第i个振荡器的调节电势，x_i(k)、y_i(k)均为离散过程中的中间状态变量；k表示离散时间变量；i＝1,2…,n，n表示振荡器个数，每个振荡器分别对应于鱼体尾部各关节的驱动舵机，Δt表示时间的增量；Q表示机器鱼驱动舵机的最大角速度；T表示机器鱼驱动舵机的控制周期；ω_i是第i个振荡器的固有振荡频率；m_i为第i个振荡器的内在振幅；为各CPG单元输出信号之间的相位滞后；l₁表示第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数，l₂表示第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数；h₁是决定第i-1个振荡器收敛速度的耦合权重，h₂是决定第i+1个振荡器收敛速度的耦合权重；c_i表示第i个振荡器的输出放大倍数；b_i是状态变量x_i的偏移量变量；z_i(k)表示对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号；

步骤3)、调整离散后的CPG微分方程的给定输入参数，从而得到对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号z_i(k)。

进一步的，对进行离散化后的CPG微分方程给定第i个振荡器的固有频率ω_i、第i个振荡器的固有振幅m_i、第i个振荡器的固有相位差以及第i个振荡器的偏移变量b_i的取值，给定第i个振荡器的调节电势x_i(k)、第i个振荡器的调节电势y_i(k)的初始值，给定第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数l₁、第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数l₂、决定第i-1个振荡器收敛速度的耦合权重h₁、决定第i+1个振荡器收敛速度的耦合权重h₂、第i个振荡器的输出放大倍数c_i、机器鱼驱动舵机的最大角速度Q和机器鱼驱动舵机的控制周期T的取值，每进行一次离散计算，通过离散方程的求解计算得到表示离散后第i个振荡器的膜电势x_i(k)和离散后第i个振荡器的调节电势y_i(k)，然后通过输出放大系数c_i对离散后第i个振荡器的膜电势x_i(k)进行调整，得到对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号z_i(k)。

3、根据权利要求1所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，通过多个CPG单元的组合来形成机器鱼的运动控制网络，建立各CPG单元的CPG微分方程：将振荡器的固有振荡频率ω、振荡器的振幅m、振荡器的相位差以及振荡器的偏移变量b作为CPG微分方程输入，得到振荡器的膜电势x和振荡器的调节电势y作为CPG微分方程的直接输出，通过输出放大系数c对振荡器的膜电势x进行调整，形成最终的输出信号z。

进一步的，建立的CPG微分方程具体为：

式中,代表x_i的一阶导数；代表y_i的一阶导数，和均为中间状态变量；x_i表示第i个振荡器的膜电势，y_i表示第i个振荡器的调节电势，x_i和_yi均为状态变量；i＝1,2…,n，n表示振荡器的个数，每个振荡器分别对应于机器鱼鱼体尾部各关节的驱动舵机；ω_i是第i个振荡器的固有振荡频率；m_i决定第i个振荡器的内在振幅；是第i个振荡器的的固有相位差，a_ij表示各神经元振荡器之间的耦合系数；h₁和h₂是决定收敛速度的耦合权重；c_i表示输出放大倍数；b_i是第i个振荡器的偏移变量；z_i表示对第i个浮潜舵机进行控制的输出信号。

进一步的，根据CPG微分方程机器输入输出关系，建立CPG网络结构拓扑图。

进一步的，各CPG单元的驱动舵机之间为链式耦合关系。

进一步的，各CPG单元的驱动舵机采用最近相邻耦合关系策略。

进一步的，第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数l₁和第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数l₂取相同值。

进一步的，状态变量x_i偏移量变量b_i在三维运动机器鱼直游及浮潜过程中取值为零，在三维运动机器鱼转弯过程中取为非零值。

一种三维运动机器鱼控制***，包括STM32核心控制板、无线通信模块、传感器模块、电源模块、舵机驱动模块和图像采集模块；

所述STM32核心控制板根据离散模型实时在线的产生机器鱼鱼体驱动舵机的控制信号，舵机驱动模块用于为机器鱼提供动力；所述传感器模块用于机器鱼周围障碍物进行检测，为机器鱼躲避障碍以及进行深度控制提供帮助；所述图像采集模块则用于实时采集视频并上传至上位机；所述电源模块用于为机器鱼的核心控制板以及传感器、图像采集装置和舵机进行供电；机器鱼通过无线通信模块与上位机之间进行通信。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种三维运动机器鱼的运动控制方法及控制***，首先通过多个CPG单元的组合来形成机器鱼的运动控制网络，建立各CPG单元的CPG微分方程，然后利用Euler法对建立的CPG微分方程进行离散求解，计算方便，计算结果准确；对于节律运动控制的必须因素：相位差、频率和振幅通过CPG微分方程进行参数调整，可以通过对相位差、频率和振幅的分别调节或者同时调节来达到对最终输出信号z的调节；对于节律运动控制的必须因素通过明确的参数与之对应进行控制调节，游动步态更加稳定灵活、调节更方便，本发明对于进一步学习和理解真实鱼类与机器鱼的游动机理具有很大的促进作用，同时也为机器鱼不同运动模态的切换、机动性及灵活性的提高提供了理论基础；采用STM32核心控制板作为主控制中心，结构简单，控制信号传输稳定。

进一步的，利用的耦合方式为最近相邻耦合，可以减少所述CPG模型的控制参数的数量，从而降低计算的难度。

附图说明

图1是本发明基于CPG的三维运动机器鱼网络拓扑示意图。

图2为向前直游时各CPG单元的输出信号仿真图。

图3为向后倒游时各CPG单元的输出信号仿真图。

图4为转弯游动时各CPG单元的输出信号仿真图。

图5为浮潜舵机的控制原理图。

图6为浮潜游动时各CPG单元的输出信号仿真图。

图7是本发明控制***硬件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对基于中枢模式发生器的三维运动机器鱼水下运动控制方法的具体实施做进一步的说明。

一种三维运动机器鱼的运动控制方法，具体实施过程中主要包含以下几个步骤：

1)建立CPG微分方程，明确输入输出；

通过多个CPG单元的组合来形成机器鱼的运动控制网络，建立各CPG单元的CPG微分方程，将各CPG单元的振荡器的固有振荡频率ω、振荡器的振幅m、振荡器的相位差以及振荡器的偏移变量b作为CPG微分方程输入，得到振荡器的膜电势x和振荡器的调节电势y作为CPG微分方程的直接输出，通过输出放大系数c对振荡器的膜电势x进行调整，形成最终的输出信号z；

本发明针对三维运动机器鱼运动控制所采用的CPG微分方程表示如下：

式中,代表x_i的一阶导数；代表y_i的一阶导数，和均为中间状态变量；x_i表示第i个振荡器的膜电势，y_i表示第i个振荡器的调节电势，x_i和yi均为状态变量；i＝1,2…,n，n表示振荡器的个数，每个振荡器分别对应于机器鱼鱼体尾部各关节的驱动舵机；ω_i是第i个振荡器的固有振荡频率；m_i决定第i个振荡器的内在振幅；是第i个振荡器的的固有相位差，a_ij表示各神经元振荡器之间的耦合系数；h₁和h₂是决定收敛速度的耦合权重；c_i表示输出放大倍数；b_i是第i个振荡器的偏移变量；z_i表示对第i个浮潜舵机进行控制的输出信号；

2)结合CPG方程和CPG网络拓扑图，微分方程进行离散计算；

在进行离散计算时，需要给定各系数的取值、***输入参数的取值以及x、y的初始值，每进行一次离散计算，就可以通过离散方程的求解计算得到x、y的一组数值，然后通过放大系数c的调整，形成最终输出信号z，输出信号z即可以作为控制***的输入信号对鱼体各关节的舵机进行控制。

具体的：在实际过程中，必须考虑所用舵机的角速度与各CPG单元的幅值、频率、相位差之间的限制关系，当CPG单元振荡器的固有频率、振荡器的固有幅值或振荡器的固有相位差过高时，必然受所用舵机最大角速度的限制；所以利用Euler法对CPG微分方程中的振荡神经元的膜电势x、振荡神经元的调节电势y进行离散化；

本发明所建立的基于三维运动仿生机器鱼的CPG离散化方程如下：

具体的，针对多个CPD单元的振荡器，

其中,x_i(k)表示离散后第i个振荡器的膜电势，y_i(k)表示离散后第i个振荡器的调节电势，x_i(k)、y_i(k)均为离散过程中的中间状态变量；k表示离散时间变量；i＝1,2…,n，n表示振荡器个数，每个振荡器分别对应于鱼体尾部不同关节的驱动舵机，Δt表示时间的增量；Q表示机器鱼驱动舵机的最大角速度；T表示机器鱼驱动舵机的控制周期；ω_i是第i个振荡器的固有振荡频率；m_i为第i个振荡器的内在振幅；为各CPG单元输出信号之间的相位滞后；l₁表示第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数，l₂表示第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数；h₁是决定第i-1个振荡器收敛速度的耦合权重，h₂是决定第i+1个振荡器收敛速度的耦合权重；c_i表示第i个振荡器的输出放大倍数；b_i是状态变量x_i的偏移量变量；z_i(k)表示对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号。

在本申请中，第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数l₁和第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数l₂取相同值；

表征状态变量x_i偏移量的变量b_i在三维运动机器鱼直游及浮潜过程中取值为零，在三维运动机器鱼转弯过程中取为非零值。

通过CPG微分方程，明确关节耦合形式，建立CPG网络拓扑图；

根据CPG微分方程机器输入输出关系，建立CPG网络结构拓扑图，各CPG单元的驱动舵机之间为链式耦合关系，在建立拓扑图的过程中，利用的耦合方式为最近相邻耦合，即鱼体各部分驱动舵机在实际耦合过程中仅仅考虑与其相邻的两个或一个舵机具有耦合关系，此做法的目的是可以减少所述CPG模型的控制参数的数量，从而降低计算的难度，图1是本次发明所基于的CPG模型的网络拓扑示意图，如图1所示，每个CPG单元(G₁、G₂、G₃)仅仅与其相邻的一个或者两个单元进行相互耦合，从而控制鱼体舵机的运动。

对进行离散化后的CPG微分方程给定第i个振荡器的固有频率ω_i、第i个振荡器的固有振幅m_i、第i个振荡器的固有相位差以及第i个振荡器的偏移变量b_i的取值，给定第i个振荡器的调节电势x_i(k)、第i个振荡器的调节电势y_i(k)的初始值，给定第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数l₁、第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数l₂、决定第i-1个振荡器收敛速度的耦合权重h₁、决定第i+1个振荡器收敛速度的耦合权重h₂、第i个振荡器的输出放大倍数c_i、机器鱼驱动舵机的最大角速度Q和机器鱼驱动舵机的控制周期T的取值，每进行一次离散计算，通过离散方程的求解计算得到表示离散后第i个振荡器的膜电势x_i(k)和离散后第i个振荡器的调节电势y_i(k)，然后通过输出放大系数c_i对离散后第i个振荡器的膜电势x_i(k)进行调整，得到对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号z_i(k)；

改变输入参数及耦合系数的取值，可以生成不同的输出信号z_i(k)。最终生成的输出信号z_i(k)为i组离散化数据，将这i组数据中每组的第一个数据作为舵机的控制角度输入给相应舵机，然后每隔固定时间(一般为20μs)，输出每组的下一个数据给相应舵机，依次类推，从而控制机器鱼实现连续游动。

如图7所示，本申请用于对三维运动仿生机器鱼进行运动控制的控制***包括STM32核心控制板、无线通信模块、传感器模块、电源模块、舵机驱动模块和图像采集模块；

所述STM32核心控制板根据离散模型(即对CPG微分方程的离散计算)实时在线的产生机器鱼鱼体驱动舵机的控制信号，舵机驱动模块用于为机器鱼提供动力；所述传感器模块用于机器鱼周围障碍物进行检测，为机器鱼躲避障碍以及进行深度控制提供帮助；所述图像采集模块则用于实时采集视频并上传至上位机；所述电源模块用于为机器鱼的核心控制板以及传感器、图像采集装置和舵机进行供电。

机器鱼通过无线通信模块与上位机之间进行通信，通过改变所述CPG单元中的频率、幅值、相位差来调整游动速度；

电源模块包含电压转换模块；舵机驱动模块包含浮潜舵机1个及尾部驱动电机3个；

本申请机器鱼的浮潜单元以及鱼体各关节CPG单元通过STM32核心控制板实现对三维运动机器鱼的水下运动控制；通过调节控制装置的输入信号,从而满足三维机器鱼实现前进、倒游、转弯、上浮及下潜等运动形式：前游时，浮潜舵机保持静止，从鱼头至鱼尾方向上，鱼体各关节舵机相位依次超前，幅值依次增加，从而产生前向推力；倒游与此类似，只不过此时各关节舵机相位依次滞后，幅值依次递减，从而产生向后推力；转弯时，依旧保持浮潜舵机静止，通过调节偏移变量的正负来实现左右转弯；当机器鱼进行下潜或上浮时，控制模块接收到相应指令，发送控制信号给浮潜舵机，本发明中为步进电机，浮潜舵机工作，带动丝杠转动，使丝杠螺母前移或者后移，进而鱼体重心前移或者后移，机器鱼完成下潜和上浮运动。

下面结合本发明中的三维运动机器鱼的几种具体运动形式，对各参数的取值做一个介绍：

1.向前直游

根据对鱼体波曲线方程的分析，我们可以知道：鱼类在向前进行直线游动时，从鱼头至鱼尾的方向，有一个相位依次超前、幅值依次增大的波动，从而使鱼类可以产生向前的推力，实现向前直游。基于上述原理，在机器鱼进行向前直游时，浮潜舵机保持静止；通过调节CPG微分方程的频率、幅值及相位差三个参数的取值，使得建立在CPG微分方程上的CPG模型的输出信号满足从鱼头至鱼尾方向上，输出信号相位依次超前，幅值依次增加，从而产生前向推力；

在本发明的一个具体实施例中，各参数的取值如表1所示，图2为向前直游时各CPG单元的输出信号仿真图：

表1向前直游参数取值

2.向后倒游

向后倒游与向前直游原理类似，只不过是运动方向相反而已，在机器鱼进行向后倒游时，浮潜舵机保持静止；通过调节CPG模型的的频率、幅值及相位差三个参数的取值，使得建立在CPG微分方程上的CPG模型的输出信号满足从鱼头至鱼尾方向上，输出信号相位依次滞后，幅值依次减小，从而产生后向推力：

在本发明的一个具体实施例中，各参数的取值如表2所示，图3为向后倒游时各CPG单元的输出信号仿真图。

表2向后倒游参数取值

3.转弯运动(左转弯/右转弯)

机器鱼在进行转弯运动时，参数与向前游动时取值基本相同，唯一不同的参数是偏移变量b_i的取值。转弯时，依旧保持浮潜舵机静止，通过调节偏移变量的正负来实现机器鱼的左右转弯即可。

在本发明的一个具体实施例中(此处以左转弯为例，右转弯只需将b_i变为相反数即可)，各参数的取值如表3所示，图4为左转弯时各CPG单元的输出信号仿真图。

表3转弯游动参数取值

4.浮潜运动

当机器鱼进行下潜或上浮时，控制模块接收到相应指令，发送控制信号给浮潜舵机(本发明中为步进电机)，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。图5为本发明中浮潜舵机的控制***框图。如图5所示，STM32作为主控芯片，通过I/O端口来控制SPGT62C19B型步进电机驱动芯片，从而实现对步进电机的控制。通过ADC输入电位器产生调速命令反馈给STM32，STM32调节SPGT62C19B型步进电机驱动模块的状态，从而使电机改变转速和方向。浮潜舵机工作，带动丝杠转动，使丝杠螺母前移或者后移，进而鱼体重心前移或者后移，机器鱼完成下潜和上浮运动。当机器鱼进行浮潜运动时，需要特别注意，此时参数的取值应该较直游及转弯时有所变化，因为浮潜运动时，机器鱼需要较小的摆动幅度和较慢的频率即可。

在本发明的一个具体实施例中(此处以下潜运动为例，上浮运动取值相同，仅需要调换步进电机的转动方向即可)，各参数的取值如表4所示，图6为机器鱼下潜时各CPG单元的输出信号仿真图。

表4下潜游动参数取值

图7是本发明用到的控制***硬件结构示意图，如图7所示，本发明中，三维运动机器鱼的运动控制***包括：STM32核心控制板、无线通信模块、传感器模块、电源模块(包含电压转换模块)、舵机驱动模块(包含浮潜舵机1个及尾部驱动电机3个)、图像采集模块。在实际控制时，所述传感器模块，传感器模块包括深度传感器和激光传感器，深度传感器和激光传感器分别用于获取三维运动机器鱼位置和三维运动机器鱼周围障碍物信息；所述图像采集模块则主要用于实施采集视频并上传至上位机；所述电源模块用于为机器鱼的核心控制板以及传感器、图像采集装置和舵机进行供电；机器鱼通过无线通信模块与上位机之间进行通信，从而通过改变所述CPG模型中的频率、幅值、相位差等来调整游动速度(本发明通过调整频率来改变速度)；此机器鱼的浮潜单元以及鱼体各关节CPG单元通过STM32核心控制板实时在线的产生机器鱼浮潜舵机及鱼体驱动舵机的控制信号，通过调节控制装置的输入信号，从而满足三维机器鱼实现前进、倒游、转弯、上浮及下潜等运动形式。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案以预期效果进行了详尽的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应该包括在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、通过多个CPG单元的组合来形成机器鱼的运动控制网络，建立各CPG单元的CPG微分方程；

步骤2)、采用Euler法对各CPG单元的CPG微分方程进行离散化，CPG微分方程离散化方程如下：

其中,x_i(k)表示离散后第i个振荡器的膜电势，y_i(k)表示离散后第i个振荡器的调节电势，x_i(k)、y_i(k)均为离散过程中的中间状态变量；k表示离散时间变量；i＝1,2…,n，n表示振荡器个数，每个振荡器分别对应于鱼体尾部各关节的驱动舵机，Δt表示时间的增量；Q表示机器鱼驱动舵机的最大角速度；T表示机器鱼驱动舵机的控制周期；ω_i是第i个振荡器的固有振荡频率；m_i为第i个振荡器的内在振幅；为各CPG单元输出信号之间的相位滞后；l₁表示第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数，l₂表示第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数；h₁是决定第i-1个振荡器收敛速度的耦合权重，h₂是决定第i+1个振荡器收敛速度的耦合权重；c_i表示第i个振荡器的输出放大倍数；b_i是状态变量x_i的偏移量变量；z_i(k)表示对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号；

步骤3)、调整离散后的CPG微分方程的给定输入参数，从而得到对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号z_i(k)。

2.根据权利要求1所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，对进行离散化后的CPG微分方程给定第i个振荡器的固有频率ω_i、第i个振荡器的固有振幅m_i、第i个振荡器的固有相位差以及第i个振荡器的偏移变量b_i的取值，给定第i个振荡器的调节电势x_i(k)、第i个振荡器的调节电势y_i(k)的初始值，给定第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数l₁、第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数l₂、决定第i-1个振荡器收敛速度的耦合权重h₁、决定第i+1个振荡器收敛速度的耦合权重h₂、第i个振荡器的输出放大倍数c_i、机器鱼驱动舵机的最大角速度Q和机器鱼驱动舵机的控制周期T的取值，每进行一次离散计算，通过离散方程的求解计算得到表示离散后第i个振荡器的膜电势x_i(k)和离散后第i个振荡器的调节电势y_i(k)，然后通过输出放大系数c_i对离散后第i个振荡器的膜电势x_i(k)进行调整，得到对第i个鱼体关节舵机进行控制的最终输出信号z_i(k)。

3.根据权利要求1所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，通过多个CPG单元的组合来形成机器鱼的运动控制网络，建立各CPG单元的CPG微分方程：将振荡器的固有振荡频率ω、振荡器的振幅m、振荡器的相位差以及振荡器的偏移变量b作为CPG微分方程输入，得到振荡器的膜电势x和振荡器的调节电势y作为CPG微分方程的直接输出，通过输出放大系数c对振荡器的膜电势x进行调整，形成最终的输出信号z。

4.根据权利要求3所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，建立的CPG微分方程具体为：

式中,代表x_i的一阶导数；代表y_i的一阶导数，和均为中间状态变量；x_i表示第i个振荡器的膜电势，y_i表示第i个振荡器的调节电势，x_i和y_i均为状态变量；i＝1,2…,n，n表示振荡器的个数，每个振荡器分别对应于机器鱼鱼体尾部各关节的驱动舵机；ω_i是第i个振荡器的固有振荡频率；m_i决定第i个振荡器的内在振幅；是第i个振荡器的的固有相位差，a_ij表示各神经元振荡器之间的耦合系数；h₁和h₂是决定收敛速度的耦合权重；c_i表示输出放大倍数；b_i是第i个振荡器的偏移变量；z_i表示对第i个浮潜舵机进行控制的输出信号。

5.根据权利要求3所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，根据CPG微分方程机器输入输出关系，建立CPG网络结构拓扑图。

6.根据权利要求5所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，各CPG单元的驱动舵机之间为链式耦合关系。

7.根据权利要求5所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，各CPG单元的驱动舵机采用最近相邻耦合关系策略。

8.根据权利要求1所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，第i个振荡器和第i-1个振荡器之间的耦合系数l₁和第i个振荡器和第i+1个振荡器之间的耦合系数l₂取相同值。

9.根据权利要求1所述的一种三维运动机器鱼的运动控制方法，其特征在于，状态变量x_i偏移量变量b_i在三维运动机器鱼直游及浮潜过程中取值为零，在三维运动机器鱼转弯过程中取为非零值。

10.一种用于权利要求1所述的运动控制方法的一种三维运动机器鱼控制***，其特征在于，包括STM32核心控制板、无线通信模块、传感器模块、电源模块、舵机驱动模块和图像采集模块；

所述STM32核心控制板根据离散模型实时在线的产生机器鱼鱼体驱动舵机的控制信号，舵机驱动模块用于为机器鱼提供动力；所述传感器模块用于机器鱼周围障碍物进行检测，为机器鱼躲避障碍以及进行深度控制提供帮助；所述图像采集模块则用于实时采集视频并上传至上位机；所述电源模块用于为机器鱼的核心控制板以及传感器、图像采集装置和舵机进行供电；机器鱼通过无线通信模块与上位机之间进行通信。