仿生机器鱼运动控制方法综述

第９卷第３期　　　　　　　　　　　　　　智　能　系　统　学　报　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．９№．３２０１４年６月　　　　　　　　　　　ＣＡＡＩＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ　　　　　　　　　　　　　Ｊｕｎ．２０１４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０９００４网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｏｉ／１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３４７８５．２０１３０９００４．ｈｔｍｌ仿生机器鱼运动控制方法综述王耀威，纪志坚，翟海川（青岛大学自动化工程学院，山东青岛２６６０７１）摘　要：运动控制是仿生机器鱼研究的核心问题，为此，依据解决运动控制问题的不同思路，总结了仿生机器鱼运动控制常见的几种研究方法：基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法、正弦控制器方法和基于中枢模式发生器模型的方法，分别对３种运动控制方法的基本原理和特点进行了总结和归纳，分析了３种方法在可靠性、稳定性和实时性等方面的优缺点，最后指出了仿生机器鱼运动控制方法的发展趋势。关键词：仿生机器鱼；运动控制；正弦控制器；鱼体波曲线拟合；中枢模式发生器中图分类号：ＴＰ３０１．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０３⁃０２７６⁃０９中文引用格式：王耀威，纪志坚，翟海川．仿生机器鱼运动控制方法综述［Ｊ］．智能系统学报，２０１４，９（３）：２７６⁃２８４．英文引用格式：ＷＡＮＧＹａｏｗｅｉ，ＪＩＺｈｉｊｉａｎ，ＺＨＡＩＨａｉｃｈｕａｎ．Ａｓｕｒｖｅｙｏｎｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｒｏｂｏｔｉｃｆｉｓｈ［Ｊ］．ＣＡＡＩＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｙｓｔｅｍｓ，２０１４，９（３）：２７６⁃２８４．ＡｓｕｒｖｅｙｏｎｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｒｏｂｏｔｉｃｆｉｓｈＷＡＮＧＹａｏｗｅｉ，ＪＩＺｈｉｊｉａｎ，ＺＨＡＩＨａｉｃｈｕａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｓｔｈｅｋｅｙｉｓｓｕｅｉｎｔｈｅｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｒｏｂｏｔｉｃｆｉｓｈｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｃｏｍｐｒｅｈｅｎ⁃ｓｉｖｅｒｅｖｉｅｗｏｆｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｒｏｂｏｔｉｃｆｉｓｈｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃｅｎａｒｉｏｓ．Ｐｒｏｐｏｓａｌｓｆｏｒｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｒｏｂｏｔｉｃｆｉｓｈｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｕｒｖｅｆｉｔｔｉｎｇｏｆｔｈｅｆｉｓｈｂｏｄｙｗａｖｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｂａｒｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｐａｔｔｅｒｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＣＰＧ）．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｅａｃｈｏｆｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｉｒｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｓｏｆｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｒｏｂｏｔｉｃｆｉｓｈａｒｅａｌｓｏｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｒｏｂｏｔｉｃｆｉｓｈ；ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｆｉｓｈｂｏｄｙｗａｖｅｃｕｒｖｅｆｉｔｔｉｎｇ；ｃｅｎｔｒａｌｐａｔ⁃ｔｅｒｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ收稿日期：２０１３⁃０９⁃０１．　网络出版日期：２０１４⁃０６⁃１４．基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３７４０６２，６１０７５１１４）．通信作者：纪志坚．Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]．　　鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物，其种类繁多，生活环境各异，为了觅食、御敌、繁殖后代和集群洄游等生存需要，经过亿万年的自然选择进化出了非凡的水中运动能力，其游动具有推进效率高、机动性强、隐蔽性好、噪声低等优点［１］。鱼类在水中游动的完美性，吸引着大批学者研究鱼类的运动机理和开发仿鱼类水下机器人。人类的发展离不开资源的持续供应，随着陆上资源的日益紧缺，未来海洋资源的开发成为现在研究的热点。随着人类科学和技术的不断发展进步，适应各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛的发展。传统的基于螺旋桨的人造水下航行器，在启动、加速性能、运动灵活性、受承载空间等方面的缺点限制了其作业时间和范围，进一步限制了其应用领域［２］。仿生机器鱼作为一种结合了鱼类推进模式和机器人技术的新型水下机器人，与传统的基于螺旋桨的人造水下航行器相比，具有以下几方面基本特性［３］：１）推进效率高，运动能力强，机动性能好；２）系统结构简化，机械结构简单；３）流体性能优良；４）体积小、重量轻、隐蔽性强。仿生机器鱼的这些优点将会使其在以下领域得到广泛应用：１）仿生机器鱼可在要求作业范围大、时间长、机动性好的场合得以应用，如环境监测、管道内部结构监测、海底救生等；２）在军事方面，仿生机器鱼良好的隐蔽性可使其作为水下侦察器或攻击性武器；３）海洋资源开发方面，由于仿生机器鱼在游动的方式和外形上皆与鱼类相似，因此，在人类开发海洋资源和研究海洋生物资源的同时，可有效降低人类活动对海洋生态环境造成的破坏；４）可构建多机器鱼协作系统，用来完成单个机器鱼无法完成的复杂水下任务［４］；５）在娱乐方面，随着机器人制造工艺的进步和技术创新，用于娱乐和观赏用途的仿生机器鱼将以优美的姿态和低廉的价格走向市场［５⁃６］。仿生机器鱼在以上方面获得了广泛应用，而寻求一种最优高效地仿生机器鱼运动控制方法，使机器鱼更加准确和高效地完成任务成为研究的重点。本文在仿生机器鱼研究进展综述文献［７⁃１２］的基础上，结合仿生机器鱼运动控制最新成果，对仿生机器鱼的运动控制方法进行了总结和归纳，为相关领域工作者提供有益的参考。１　仿生机器鱼运动分析仿生机器鱼运动控制方法可大致分为３类：基于运动学模型、基于动力学模型和仿神经元网络控制的方法。１．１　基于运动学模型的方法此方法是通过经验观测鱼类游动时身体的形状曲线来产生机器鱼关节的摆角。鱼类行为学家研究表明，鱼类的推进运动中隐含着一种由后颈部向尾部传播的行波。受此启发人们尝试从运动学的角度来研究鱼类的推进，以避免复杂的水动力学分析。国外对该种方法的研究起步较早。１９６０年，Ｌｉｇｈｔｉｌｌ首次基于“小振幅位势理论”建立了分析鱼类鲹科推进模式的数学模型，这是鱼类推进模式研究历史上第一个关于鲹科推进模式的数学模型［１３］。１９９６年，美国麻省理工学院的Ｂａｒｒｅｔｔ等通过实验研究，认为鱼体游动呈波动状态，鱼体波为一波幅渐增的正弦曲线，鱼体波波幅包络线具有二次曲线特征，鱼体波可以通过波幅包络线与正弦曲线的合成得到［１４］。为了产生类似鱼类的游动步态，Ｙｕ和Ｌｉｕ用鱼类学家对游动鱼体观测得到的运动学方程作为模型，来产生类似鱼类的游动步态，采用离线数值拟合的方法获得多个关节的控制量，并对机器鱼各个关节之间的长度比进行参数优化来最大程度地拟合鱼体波曲线［１５⁃１７］。鱼类的身体由多根脊椎骨相互连接而成，采用尾鳍推进的鱼类在游动时主要通过脊椎曲线的波动带动尾鳍摆动来产生推进力，仿生机器鱼通过模仿鱼类的推进机理实现游动，国内外很多学者致力于此方面研究，并取得了丰硕的成果［１８⁃２２］。鱼类游动具有极高的推进效率，在研究鱼类的运动学模型时，如何借鉴鱼类运动得到一种高效的推进模式是十分有意义的。文献［２３］提出了一种将描述鱼体稳定游动的周期性运动和描述鱼体身体形状改变的非周期性运动相分离的方法，来对鱼的躯体运动进行运动学建模。文献［２４］提出了多坐标系转换的运动学模型，为基于波动鳍推进模式的多鳍推进控制系统设计方案为水下机器人的仿生设计提供了一个新的思路和选择，但仅能对理想的仿鱼波动面进行运动描述。一些学者对非鲹科鱼类进行研究，通过观察其形态学特点，对运动学特性进行观测，并建立了相应的运动学模型［２５⁃２７］。１．２　基于动力学模型的方法由于鱼类在水中的游动涉及鱼体的运动学和复杂的水动力学，在现有的水动力学基础上很难通过解析的方法建立精确的数学模型，因此，现阶段仿生机器鱼的运动控制皆建立在简化的水动力学模型之上。对鱼类游动时的水动力学研究，国外学者Ｗｕ［２８］、Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ［２９⁃３０］和Ｖｉｄｅｌｅｒ［３１］分别提出了“二维波动板理论”、“大摆幅细长体理论”和“薄体理论”，为仿生机器鱼的动力学研究奠定了基础。２０世纪８０年代中后期，中国科学技术大学的童秉纲和程建宇博士采用半解析－半数值的方法，提出了三维波动板理论，得到了国际上鱼类生物力学研究群体的广泛运用和认同［３２⁃３３］。通过分析鱼体在纵向、横向和沉浮方向的力学分析和计算，建立仿生机器鱼游动时的水动力学模型，采用几何非线性方法、在线反馈跟踪或离线运动规划等方法，对机器鱼的运动控制策略进行研究，仍是主要的研究方法。国内外在此方面的动力学建模研究成果颇丰［３４⁃４４］。在水动力学理论的改进和优化方面，文献［４５］和文献［４６］通过运用改进了的“大振幅细长体理论”和“二维波动板理论”，对仿生机器鱼的动力学·７７２·第３期　　　　　　　　　　　　　　王耀威，等：仿生机器鱼运动控制方法综述模型进行了分析研究。１．３　仿神经元网络控制的方法基于仿神经元网络的仿生机器鱼控制方法，是近年来新出现的一种运动控制方法，模仿动物的运动控制机理，以中枢模式发生器（ｃｅｎｔｒａｌｐａｔｔｅｒｎｇｅｎ⁃ｅｒａｔｏｒ，ＣＰＧ）作为底层运动控制器，可以应用于机器人步态的产生。瑞士的Ｉｊｓｐｅｅｒｔ等一直致力于基于生物ＣＰＧ原理的运动控制方法研究，并成功地将ＣＰＧ原理的运动控制方法应用到了两栖蛇形机器人上［４７］。由于基于ＣＰＧ的运动控制方法与传统的运动控制方法相比，有着无可比拟的优越性，并且ＣＰＧ模型并不统一，使得基于ＣＰＧ的仿生机器鱼运动控制成为研究的热点之一，国内外许多学者在这方面做了大量研究［４８⁃５５］。ＣＰＧ模型一般都含有高度非线性的环节，这给ＣＰＧ的理论和应用研究带来许多困难。在ＣＰＧ模型的改进和优化方面，文献［５６］提出了一种进化优化的ＣＰＧ结构，通过控制仿生机器鱼的关节摆角来产生类似鱼类的游动，并用量子进化算法来优化产生类似鱼类游动的参数。为了克服开环ＣＰＧ只在参考信号作用时才能同步的局限性，文献［５７］提出了一种新的单层ＣＰＧ方法，其中ＣＰＧ和物理层合并为一个单层，以确保在存在外部干扰的情况下物理执行器的同步性，并成功地将该策略运用到仿生机器龟的控制上。为使ＣＰＧ的控制输出信号的参数达到最优，文献［５８］提出了一种基于中枢模式发生器的粒子群算法，用以产生有节律的仿生机器鱼运动控制信号。２　仿生机器鱼的运动控制方法常见的仿生机器鱼运动控制方法有基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法、简单的正弦控制器方法和基于中枢模式发生器的运动控制方法。下面就这３种常见的运动控制方法的基本原理、优缺点等进行讨论。２．１　基于杆系结构的鱼体波曲线拟合控制方法基于杆系结构的鱼体波曲线拟合方法从本质上说是一种基于运动学的方法。它将仿生机器鱼身体的摆动部分视为一个由铰链相连的多连杆机构，通过调节鱼体的连杆机构在运动过程中的相对位置来拟合鱼体波曲线［５９］。基于杆系结构的鱼体波曲线拟合如图１所示。拟合过程中保证每一摆动时刻每一连杆的端点都落在鱼体波理论曲线上即可，如图１对应的关节角取为φ