水下仿生机器人CPG控制方法研究现状综述.doc

水下仿生机器人CPG控制方法研究现状综述.doc水下仿生机器人CPG控制方法研究现状综述闫勇程王扬威兰博文赵东标南京航空航天大学摘要:高性能的运动控制方法是提高水下仿生机器人运动机动性和稳定性的关键,是制约水下仿生机器人发展的关键问题。介绍了中枢模式发生器(centralpatterngenerator,CPG)仿生控制方法的基本原理,综述了水下仿生机器人CPG控制方法的研究现状,总结了CPG控制方法的关键技术和发展趋势。关键词:水下仿生机器人;运动控制;CPG;作者简介:闫勇程(1991-),男,硕士研究生,研究方向为智能机器人技术。收稿日期:2016-04-13基金:江苏省自然科学基金项目(BK20130796)ASurveyonCPGMethodofTheBiomimeticUnderWaterRobotsYANYong-chengWANGYang-weiLANBo-wenZHAODong-biaoNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics;Abstract:High-(CPG)werepresented,:biomimeticunderwaterrobot;motioncontrol;centralpatteirigenerator(CPG);Received:2016-04-130引言进入21卅纪以来,海洋资源的战略地位越来越重要,人类也不断加快了探索海洋的步伐,各类水下机器人应运而牛。传统的基于螺旋桨推动的水下机器人应用最为广泛,但是在机动性、功重比、稳定性等方面仍存在较大不足。而鱼类经过长期的遗传进化、自然选择,能够适应时刻变化的水下环境,具有优异的水下运动能力进行各项生命活动。随着人类在生物仿生学、流体力学、计算机软件技术以及智能材料等方面取得的一系列进步,国内外科研人员已成功研制出了多种水下仿牛机器人在鱼类的形体和结构仿牛方面已经取得了一系列成果,而在运动控制方法上与生物的神经系统控制还存在较大差距,已成为阻碍水下仿生机器人发展的主要问题。冃前水下仿生机器人常用的运动控制主要有基于模型的控制方法、正弦控制器和基于中枢模式发生器(以下简称CPG)的控制方法。基于模型的控制方法 是建立在被控对象的运动学和水动力学模型基础上的一种控制方法,能实现准确的运动控制。但由于水下推进装置的精确建模十分困难,因此目前大都釆用简化的数学模型用于控制系统,使得控制系统的鲁棒性不佳,机器人不能很好的适应水下非结构化的工作环境。正弦控制器[4-5]是水下仿生机器人运动控制方法中常用的一种控制方法。因为大多数鱼类的身体或鳍的推进波形接近正弦运动,所以该方法将水下仿生机器人推进器中每个关节的运动规律设定为正弦周期运动,再通过改变不同关节之间运动的相位差来改变运动策略。这种控制方法能明确描述推进波的频率、幅值和相位等参数的关系,且便于计算机编程。但是当控制参数(如频率、幅值)突变时易导致关节角产生不连续的跳变,从而损害关节的驱动电机和传动系统,虽然可以编写专门的过渡函数来克服这种跳变,但是灵活性较差。再者,止弦控制器算法较难引入外部反馈信号,适应性不足。基于CPG的控制方法山是通过模仿动物节律运动的牛物学控制机理,以CPG神经元网络数学模型作为底层的运动控制器,产生连续协调的节律运动控制信号,运动控制的协调稳定性和环境自适应性较好。本文介绍了广泛用于水下仿生机器人的CPG控制方法的原理,结合具体实例分析了CPG控制的关键技术问题。1生物CPG控制原理自然界中动物常见的运动方式是节律运动,如动物的行走、奔跑、跳跃、游泳、飞行以及动物的呼吸、心脏跳动等都是节律运动。在亿万年的自然选择与遗传进化中,动物的节律运动具有了高度的协调性与自适应能力。牛物CPG的研究及发展经历了一个漫长的过程,在20世纪初,关于动物节律行为的产生主要有两种观点:一种观点是以Sherrington为代表的认为感觉反馈发挥着重要作用,节律运动是反射行为在不同运动周期触发连锁反应的结果;另外一种解释则是以Brown£61为代表的认为节律行为的产生不需要外部的信号输入,如感觉反馈的输入。1914年BrownIZl提出了一个半自主神经振荡模型,在两个群之间加上相互抑制的耦合神经元,并H加入神