一种仿生波动推进装置以及波动控制方法

1.本技术涉及机器人技术领域，更具体地说，尤其涉及一种仿生波动推进装置以及波动控制方法。


背景技术：

2.随着科技经济水平的发展，人类对海洋的探索需求不断增加。水下机器人可替代人类进行各类水下作业，因此具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。例如，在民用领域，水下机器人可以执行生物观察、水质检测、垃圾回收、水底救援、矿产勘查等经济任务；在军事领域，水下机器人可以执行自主侦察、水雷爆破、鱼雷检测等多种作战任务。传统的水下推进方式主要有螺旋桨式和喷射式，其缺陷是噪音大、环境扰动大，尤其是螺旋桨高速旋转时容易缠绕水草、沙石等异物从而导致损坏，而低速时其控制性和稳定性不好。
3.为了解决上述问题，结合自然界生物对环境的适应能力，设计出了仿生波动鳍推进装置，现有技术中的仿生波动鳍推进装置是将波动鳍的运动简化为单个维度的波动，通过控制波动鳍上不同位置的夹持点进行上下摆动，即可形成前后传递的正弦波，目前的仿生波动鳍推进装置只设置了夹条的上下摆动，单个夹条只有一个自由度，无法控制生成更加复杂的波形。
4.因此，亟需一种仿生波动推进装置以及控制方法，能够带动波动鳍生成更加复杂的波形，以使得波动鳍能够产生更加复杂的动作，以应对更加多样的环境。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本技术提供一种仿生波动推进装置以及控制方法，能够带动波动鳍生成更加复杂的波形，以使得波动鳍能够产生更加复杂的动作，以应对更加多样的环境。
6.本技术提供的技术方案如下：
7.一种仿生波动推进装置，包括：
8.本体；
9.间隔设置在所述本体上的驱动组件，所述驱动组件包括第一驱动件，与第一驱动件的驱动端相连的摆动架，所述摆动架上设置有第二驱动件，所述第二驱动件的驱动端与摆盘相连；
10.与所述摆盘之间通过转动组件活动连接的夹条，所述夹条远离所述摆盘的一端与波动鳍相连。
11.优选地，所述摆动架的回转轴线与所述摆盘的回转轴线相交，且所述摆动架的回转轴线与所述第二驱动件的驱动端的摆动平面共面。
12.优选地，所述转动组件，包括：
13.与所述摆动架远离所述第二驱动件的一端相连的转动座；
14.与所述转动座之间可转动连接的第一转轴，所述第一转轴与所述夹条相连。
15.优选地，所述夹条具体由弹簧钢材料制成。
16.优选地，所述摆动架，包括：
17.与所述第一驱动件的驱动端相连的第一支撑板；
18.与所述第一支撑板远离所述第一驱动件的一端的第二支撑板，所述第二支撑板上设置有用于安装所述第二驱动件的安装槽，所述第二驱动件固定设置在所述第二支撑板上。
19.优选地，所述摆动架，还包括：
20.与所述第二支撑板远离所述第一支撑板的一端相连的第三支撑板，所述第三支撑板上固定设置有第二转轴，所述第二转轴通过轴承组件与本体连接，所述第二转轴的轴线方向与所述第一驱动件的轴线方向重合。
21.优选地，还包括：
22.设置在所述本体的顶部的密封舱，所述密封舱的两侧设置有通孔；
23.设置在所述通孔内，与所述通孔密封连接的穿线螺丝，所述穿线螺丝上设置有过线孔；
24.与所述密封舱的顶部密封连接的密封盖。
25.优选地，还包括：
26.固定设置在所述本体的顶部的力传感器；
27.与所述力传感器固定连接的测量平台。
28.一种波动控制方法，用于上述任一项所述的仿生波动推进装置中，其特征在于，包括以下步骤：
29.s1、预设横向波动方程、纵向波动方程、波动参数、时间值以及控制周期；
30.s2、根据所述时间值、所述横向波动方程、所述纵向波动方程以及所述控制周期，获取横波输出角度以及纵波输出角度；
31.s3、根据所述横波输出角度生成第一pwm值，并输出第一pwm值控制第二驱动件的驱动端转动横波输出角度，根据所述纵波输出角度生成第二pwm值，并输出第二pwm值控制第一驱动件的驱动端转动纵波输出角度。
32.优选地，在步骤s1和步骤s2之间还包括以下步骤：
33.迭代次数初始化为零，时间值等于控制周期与迭代次数的乘积。
34.优选地，在步骤3之后还包括以下步骤：
35.s4、等待一个控制周期之后，更新迭代次数以及时间值，返回步骤s2进行循环。
36.优选地，所述波动参数，包括：横向波动频率、横向波动幅值、纵向波动频率、纵向波动幅值以及偏置角度，其中，
37.当所述偏置角度等于0时，波动鳍的波动平衡位置位于本体中心面上，驱动所述本体直线行驶；
38.当所述偏置角度大于0时，所述波动鳍的波动平衡位置位于所述本体中心面的左侧，所述波动鳍具有向右偏航力矩，驱动所述本体向右转弯；
39.当所述偏置角度小于0时，所述波动鳍的波动平衡位置位于所述本体中心面的右侧，所述波动鳍具有向左偏航力矩，驱动所述本体向左转弯。
40.优选地，所述横向波动方程和所述纵向波动方程为正弦波动方程。
41.本发明提供的仿生波动推进装置，首先由于设置有本体、驱动组件以及夹条，其中，驱动组件间隔设置在本体上，驱动组件包括第一驱动件、摆动架、第二驱动件以及摆盘，其中，第一驱动件的驱动端与摆动架相连，带动摆动架绕第一驱动件的驱动端转动，在摆动架上设置有第二驱动件，第一驱动件带动摆动架转动的同时也带动第二驱动件转动，第二驱动件的驱动端与摆盘相连，带动摆盘绕第二驱动件的驱动端转动，摆盘在绕第二驱动件的输出摆动的同时，受第一驱动件的驱动，摆盘随摆动架绕第一驱动件的驱动端摆动，摆盘与夹条相连，夹条远离摆盘的一端与波动鳍相连，由此，波动鳍在波动的过程是由第二驱动件驱动产生的横向波动和第一驱动件产生的纵向波动生成的复合波形，为了使夹条能够适应波动鳍的鳍面的切线变化，保证波动鳍波形的完整度，夹条与摆盘之间通过转动组件活动连接，将夹条设置为可旋转的方式，波动鳍在波动的过程中，夹条可以自适应转动，保证产生的复合波的波形的完整性。由此可见，与现有技术相比，本发明实施例中的仿生波动推进装置，每根夹条都具有两个主动的摆动自由度以及一个自适应的旋转自由度，能够控制波动鳍生成纵横复合波波形，以使得波动鳍能够产生更加复杂的动作，以应对更加多样的环境。
42.本技术方案还提供了一种用于上述仿生波推进装置的控制方法，同样也能够实现上述技术效果。
附图说明
43.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明实施例提供的仿生波推进装置的一种结构示意图；
45.图2为本发明实施例提供的本体的一种结构示意图；
46.图3为图2的爆炸图；
47.图4为本发明实施例提供的驱动组件的一种结构示意图；
48.图5为图4的爆炸图；
49.图6为本发明实施例提供的转动组件的一种结构示意图；
50.图7为图6的爆炸图；
51.图8为本发明实施例提供的密封舱的一种结构示意图；
52.图9为本发明实施例提供的仿生波推进装置作为实验平台的一种结构示意图；
53.图10为本发明实施例提供的仿生波推进装置的偏置角度为0时一种结构示意图；
54.图11为本发明实施例提供的仿生波推进装置的偏置角度小于0时一种结构示意图；
55.图12为本发明实施例提供的仿生波推进装置的偏置角度大于0时一种结构示意图；
56.图13为本发明实施例提供的用于仿生波推进装置的控制方法的一种流程示意图；
57.图14为本发明实施例提供的用于仿生波推进装置的控制方法的另一种流程示意图。
58.附图标记：1、本体；2、第一驱动件；3、摆动架；4、第二驱动件；5、摆盘；6、转动组件；7、夹条；8、波动鳍；9、密封舱；11、底座；12、左安装座；13、右安装座；14、力传感器；15、测量平台；21、第一舵盘；31、第一支撑板；32、第二支撑板；33、安装槽；34、第三支撑板；35、第二转轴；36、轴承组件；41、第二舵盘；61、转动座；62、第一转轴；63、法兰轴套；64、轴向限位件；71、第一安装孔；72、第二安装孔；91、通孔；92、穿线螺丝；93、密封盖；94、密封槽；95、静密封件；361、法兰轴；362、法兰轴承；363、紧固件；364、第二固定孔；365、第一固定孔。
具体实施方式
59.为了使本领域的技术人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
60.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。
61.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
62.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本技术的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
63.须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
64.本发明实施例采用递进的方式撰写。
65.如图1至图12所示，本发明实施例提供一种仿生波动推进装置，包括：本体1；间隔设置在本体1上的驱动组件，驱动组件包括第一驱动件2，与第一驱动件2的驱动端相连的摆动架3，摆动架3上设置有第二驱动件4，第二驱动件4的驱动端与摆盘5相连；与摆盘5之间通过转动组件6活动连接的夹条7，夹条7远离摆盘5的一端与波动鳍8相连。
66.现有技术中的仿生波动鳍推进装置是将波动鳍的运动简化为单个维度的波动，通过控制波动鳍上不同位置的夹持点进行上下摆动，即可形成前后传递的正弦波，目前的仿生波动鳍推进装置只设置了夹条的上下摆动，单个夹条7只有一个自由度，无法控制生成更加复杂的波形。
67.本发明提供的仿生波动推进装置，首先由于设置有本体1、驱动组件以及夹条7，其中，驱动组件间隔设置在本体1上，驱动组件包括第一驱动件2、摆动架3、第二驱动件4以及
摆盘5，其中，第一驱动件2的驱动端与摆动架3相连，带动摆动架3绕第一驱动件2的驱动端转动，在摆动架3上设置有第二驱动件4，第一驱动件2带动摆动架3转动的同时也带动第二驱动件4转动，第二驱动件4的驱动端与摆盘5相连，带动摆盘5绕第二驱动件4的驱动端转动，摆盘5在绕第二驱动件4的输出摆动的同时，受第一驱动件2的驱动，摆盘5随摆动架3绕第一驱动件2的驱动端摆动，摆盘5与夹条7相连，夹条7远离摆盘5的一端与波动鳍8相连，由此，波动鳍8在波动的过程是由第二驱动件4驱动产生的横向波动和第一驱动件2产生的纵向波动生成的复合波形，为了使夹条7能够适应波动鳍8的鳍面的切线变化，保证波动鳍8波形的完整度，夹条7与摆盘5之间通过转动组件6活动连接，将夹条7设置为可旋转的方式，波动鳍8在波动的过程中，夹条7可以自适应转动，保证产生的复合波的波形的完整性。由此可见，与现有技术相比，本发明实施例中的仿生波动推进装置，每根夹条7都具有两个主动的摆动自由度以及一个自适应的旋转自由度，能够控制波动鳍8生成纵横复合波波形，以使得波动鳍8能够产生更加复杂的动作，以应对更加多样的环境。
68.需要进行说明的是，“横波”指的是振动方向垂直于波传播方向的波，现有技术中的波动鳍8产生的波动为横波；“纵波”指的是振动方向平行于波传播方向的波。本技术方案中的第一驱动件2的输出端的回转轴线a1b1与本体1的宽度方向平行，通过第一驱动件2的输出端带动夹条7的波动产生纵波，本技术方案中的第二驱动件4的输出端的回转轴线a2b2的方向与本体1的长度方向平行，通过第二驱动件4的输出端带动夹条7的波动产生横波，在第一驱动件2和第二驱动件4的作用下，波动鳍8产生既有横波又有纵波的复合波形，波动鳍8不仅可以进行上下摆动，同时又可以前后摆动，在转动组件6的作用下，夹条7还具有自适应转动，模拟了靠背鳍或胸鳍波动推进的自然鱼类的波动鳍的波动，这种三自由度的复合运动可以控制鳍面生成更加复杂多样的波形，从而产生更复杂的动作，以应对更加多样的环境。
69.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的摆动架3的回转轴线与摆盘5的回转轴线相交，且摆动架3的回转轴线与第二驱动件4的驱动端的摆动平面共面，在第一驱动件2和第二驱动件4的驱动作用下，摆盘5是绕定点转动的。
70.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的转动组件6包括转动座61以及第一转轴62，其中，转动座61与摆盘5远离第二驱动件4的一端相连，第一转轴62与转动座61之间可转动连接，第一转轴62与夹条7相连，通过第一驱动件2和第二驱动件4带动摆盘5沿上下摆动的同时前后摆动，通过夹条7带动波动鳍8产生波动，波动鳍8在波动的过程中，夹条7可以绕第一转轴62的轴线方向自适应转动，保证产生的复合波的波形的完整性。
71.在上述结构中，作为其中一种具体的实施方式，本发明实施例中的摆盘5具体为平板型钢材状结构，摆盘5与第二驱动件4的驱动端之间固定连接，摆盘5远离第二驱动件4的一端与转动座61固定连接，转动座61内设置有转动孔，第一转轴62与转动孔之间通过法兰轴套63转动连接，第一转轴62的一端设置有轴向限位件64，通过轴向限位件64将第一转轴62与法兰轴套固定，防止第一转轴62在转动座61内自适应转动的过程中出现轴向移动。更进一步地，本发明实施例中的法兰轴套63具体由黄铜材料制成，能够降低与安装孔的转动摩擦。更具体地，本发明实施例中的轴向限位件64具体为固定螺钉，第一转轴62远离夹条7的一端的端部设置有螺纹孔，螺纹孔与固定螺钉配合使用，第一转轴62穿过法兰轴承63，法兰轴承63套入转动座61的转动孔中。然后将轴向限位件64拧入第一转轴62的螺纹孔中实现
轴向定位。
72.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的夹条7由弹簧钢材料制成，夹条7具有一定的挠性。本发明实施例中的夹条7的头端设置有第一安装孔71，夹条7通过第一安装孔71与第一转轴62和波动鳍8的内侧固定连接，夹条7的尾端还设置有第二安装孔72，用于与波动鳍8的外侧固定连接，通过夹条7支撑波动鳍8，并带动波动鳍8产生波动，需要进行说明的是，波动鳍8的内侧指的是波动鳍8靠近第一转轴62的一侧，波动鳍8的外侧指的是波动鳍8远离第一转轴62的一侧。更进一步地，本发明实施例中的第一安装孔71设置有两个，第二安装孔72设置有两个。
73.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的第一转轴62上设置有两个夹条7，两个夹条7分别设置在波动鳍8的两侧，且夹条7与波动鳍8固定连接，两个夹条7将波动鳍8夹住，夹条7与第一转轴62相连，通过第一驱动件2的输出端带动夹条7的波动产生纵波，通过第二驱动件4的输出端带动夹条7的波动产生横波，且夹条7还具有自适应转动，模拟了靠背鳍或胸鳍波动推进的自然鱼类的波动鳍的波动。
74.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的波动鳍8具体为薄膜状结构，且波动鳍8由柔性材料制成，波动鳍8的厚度小于2mm，使得波动鳍8具有足够的变形能力。更进一步地，本发明实施例中的波动鳍8具体为薄膜状硅胶制成。
75.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的第一转轴62的轴线方向垂直于第二驱动件4的输出端的旋转轴线a2b2的方向。更进一步地，本发明实施例中的摆动架3的回转轴线沿本体1的宽度方向设置，摆盘5的回转轴线沿本体1的长度方向设置，第一转轴62的轴线方向垂直于摆动架3的回转轴线与摆盘5的回转轴线所形成的平面，即，第一转轴62的轴线方向垂直于本体1所在的平面。
76.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的本体1包括底座11、左安装座12以及右安装座13，其中，底座11作为其它部件的安装基座，底座11由铝合金钣金件折弯而成，底座11的下方设置有容置腔，底座11的整体呈u字形状，左安装座12和右安装座13分别与底座11的两个侧面相连。更具体地，底座11的两侧面上设置有螺纹孔，底座11的两个侧面分别与左安装座12和右安装座13之间通过螺纹固定连接。
77.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的左安装座12和右安装座13的截面形状均为矩形管状结构，且左安装座12和右安装座13由铝合金材质制成，通过左安装座12和右安装座13安装驱动组件。
78.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的左安装座12上间隔设置有用于放置第一驱动件2的容置槽，第一驱动件2置于容置槽内，且第一驱动件2与左安装座12之间固定连接。
79.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的第一驱动件2具体为第一驱动舵机，第二驱动件4具体为第二驱动舵机。具体地，第一驱动舵机安装在容置槽内，且第一驱动舵机与容置槽之间通过螺钉固定，第一驱动舵机的输出轴与第一舵盘21之间通过齿轮啮合传动，第一驱动舵机带动第一舵盘21转动。第二驱动舵机固定设置在摆动架3上，第二驱动舵机的输出轴与第二舵盘41之间通过齿轮啮合传动，第二驱动舵机能够带动第二舵盘42转动，第二舵盘42与摆盘5固定连接。
80.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的摆动架3包括，第一支
撑板31、第二支撑板32以及安装槽33，其中，其中，第一支撑板31与第一驱动件2的输出端相连，第二支撑板32设置在第一支撑板31远离第一驱动件2的一端，在第二支撑板32上设置有安装槽33，安装槽33用于安装第二驱动件4，第二驱动件4与第二支撑板32固定连接。具体地，第一支撑板31与第一驱动件2的输出端固定连接，第一驱动件2带动第一支撑板31绕回转中心转动，第二支撑板32设置在第一支撑板31远离第一驱动件2的一端，且第二支撑板32上设置有第二驱动件4，第二驱动件4的输出端与摆盘5相连，摆盘5远离第二驱动件4的一端与夹条7相连，在第二驱动件4的驱动下，通过夹条7带动波动鳍8产生横向波动，在第一驱动件2的驱动下，通过夹条7带动波动鳍8产生纵向波动，第一驱动件2和第二驱动件4的共同作用下，波动鳍8产生复合波动。
81.在上述结构中，为了提高摆动架3传动的稳定性以及摆动架3的承载刚度，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的摆动架3还包括第三支撑板34，第三支撑板34设置在第二支撑板32远离第一支撑板31的一端，第三支撑板34上固定设置有第二转轴35，第二转轴35通过轴承组件36与本体1相连，其中，第二转轴35的回转轴线与第一驱动件2的输出端的回转轴线同轴设置。
82.在上述结构中，本发明实施例中的第一支撑板31与第三支撑板34平行设置，且第一支撑板31与第二支撑板32垂直设置。第一支撑板31与第一舵机固定连接，第三支撑板34通过轴承组件36与本体转动连接。更具体地，轴承组件36包括法兰轴361、法兰轴承362以及紧固件363，其中，第三支撑板34上设置有用于安装法兰轴361的圆形孔，法兰轴361与第三支撑板之间通过螺钉固定连接，法兰轴361与第二转轴35之间通过紧固件363固定连接，第二转轴35远离法兰轴361的一端插入到法兰轴承362上的内孔中，法兰轴承362与右安装座13之间固定连接。更进一步地，本发明实施例中的法兰轴承由聚四氟乙烯材料制成，能够降低第二转轴35旋转时的摩擦力。
83.更具体地，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的法兰轴361上设置有第一固定孔365，第二转轴35上设有与第一固定孔365配合使用的第二固定孔364，通过紧固件363插入到第二固定孔364和第一固定孔365内，使得法兰轴361与第二转轴35固定。
84.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的仿生波动推进装置还包括密封舱9，其中，密封舱9设置在本体1的顶部，且密封舱9与本体1固定连接，密封舱9用于放置控制板、电源、传感器以及电路，密封舱9的两侧设置有通孔91，通孔91内设置有穿线螺丝92，穿线螺丝92与密封舱9之间设有密封圈，电线通过过线孔将密封壳内部的电线引出到密封舱9的外部，拧紧穿线螺丝92，夹紧密封圈，从而实现穿线螺丝92与密封舱9之间的密封，密封舱9的顶部与密封盖93密封连接，形成静密封，防止外部的液体进入到密封舱9内，影响电气元件的使用寿命。更进一步地，本发明实施例中的密封舱9与本体1的顶部之间通过螺钉固定连接。更具体地，本发明实施例中的密封舱9的顶部设置有密封槽94，密封槽94内设置有静密封件95，密封盖93与密封槽94之间通过连接，静密封件95受挤压产生形变，从而具备密封防水能力。
85.在上述结构中，作为其中一种实施方式，本发明实施例提供的仿生波推进装置可以用于水下机器人中，每一个夹条7均具有三个自由度，可以带动波动鳍8上下摆动，也可以带动波动鳍8前后摆动，以及绕第一转轴62的转动，可以控制波动鳍8的鳍面生成更加复杂的波形，产生更复杂的动作，应对更加多样的环境。
86.作为另外一种实施方式，本发明实施例提供的仿生波推进装置还可以作为实验平台，用于水下仿生机器人的研究，作为其中一种具体的实施方式，本发明实施例中的仿生波推进装置还包括力传感器14，其中，力传感器14固定设置在本体1的顶部，力传感器14与测量平台15以及测试水箱配合使用，测量平台15的顶部与力传感器14固定连接，测试水箱设置在本体1的下方，在测试的过程中，将波动鳍8浸没在水中，通过力传感器14测量波动鳍8波动运动时产生的力和力矩，为水下仿生机器人的研究提供实验数据。
87.在上述结构中，作为第一种实施方式，本发明实施例提供的力传感器14具体为六维传感器，可以同时测量三个自由度的力以及三自由度的力矩；当无需关注力矩时，作为第二种实施方式，本发明实施例提供的力传感器14也可以为三维传感器，同时测量三个自由度的力；当测试者只关注波动鳍8产生地向前推进的推力时，作为第三种实施方式，本发明实施例提供的力传感器14具体为一维传感器，只能测量波动鳍8产生地向前推进的推力。
88.如图13至图14所示，本发明还提供了一种波动控制方法，用于上述任一项的仿生波动推进装置中，包括以下步骤：s1、预设横向波动方程、纵向波动方程、波动参数、时间值以及控制周期；s2、根据时间值、横向波动方程、纵向波动方程以及控制周期，获取横波输出角度以及纵波输出角度；s3、根据横波输出角度生成第一pwm值，并输出第一pwm值控制第二驱动件4的转动角度，根据纵波输出角度生成第二pwm值，并输出第二pwm值控制第一驱动件2的转动角度。波动控制方法用于控制上述的仿生波动推进装置，以使得波动鳍8能够产生更加复杂的动作，以应对更加多样的环境。
89.需要进行说明的是，横向波动方程由依次排列的第二驱动件4确定，纵向波动方程由依次排列的第一驱动件2确定，本发明实施例中的第二驱动件4的数量为n个，第一驱动件2的数量与第二驱动件4的数量一一对应，第二驱动件4的数量也为n个。在本发明实施例中，第二驱动件4的输出角度即横向输出角度为θ(i)，i＝1,2,
…
,n，第一驱动件2的输出角度即纵向输出角度为β(i),i＝1,2,
…
,n。作为一种具体的实施方式，在本发明实施例中的n为9。
90.在本实施例中，在步骤s1中的横向波动方程采用正弦波方程，横向波动方程可以采用多种形式，作为其中一种具体的实施方式，本发明实施例中的预设横向波动方程具体为：
[0091][0092]
其中，f1为横波波动频率，θm为横向波动幅值，i为第二驱动件的编号，t为时间，θ0是波动鳍8的偏置角度，此时当θ0＝0时，波动鳍8的波动平衡位置在本体1的中轴线上，当θ0＞0时，波动期的波动平衡位置位于本体1的中轴线的左侧，当θ0小于0时，波动期的波动平衡位置位于本体1的中轴线的右侧。
[0093]
值得注意的是，式(1)只是横向波动方程可能的一种形式，任何其他的形式的横向波动方程都不脱离本发明的保护范围。
[0094]
在本发明实施例中，纵向波动方程可以采用多种形式，从而与横向波动方程形成不同的纵横复合波，本发明实施例中提供了以下三种纵向波动方程：
[0095]
β(i,t)＝βmsin(2πf2t),i＝1,2,...,n
ꢀꢀ
(2)
[0096][0097][0098]
其中，f2为纵波波动频率，βm为波动幅值，i为第一驱动件的编号，t为时间值。
[0099]
作为其中一种实施方式，为了更清楚的对本技术方案进行进一步说明，本发明实施例中取式(1)作为横向波动方程，取式(2)作为纵向波动方程。
[0100]
在步骤s2中，根据预设时间值t、横向波动方程、纵向波动方程以及控制周期
△
t，获取横向输出角度以及纵向输出角度，其中，横向输出角度指的是第二驱动件4的输出角度，由式(1)计算得出，纵向输出角度指的是第一驱动件2的输出角度，由式(2)计算得出。
[0101]
在步骤s3中，根据横波输出角度生成第一pwm值的转化公式为：
[0102][0103]
基于式(5)以及式(1)，计算得到第一pwm值并输出第一pwm值，控制第二驱动件4的输出端转动横向输出角度。
[0104]
在步骤s3中，根据纵波输出角度生成第二pwm值的转化公式为：
[0105][0106]
基于式(6)以及式(2)，计算得到第二pwm值并输出第二pwm值，控制第一驱动件2的输出端转动纵向输出角度。
[0107]
在步骤s3中，本发明实施例中通过单片机控制第一驱动件2和第二驱动件4的输出角度，需要每间隔一个控制周期计算新的输出角度，显然，控制周期越短，控制精度越高，但是控制周期若过短，可能会超过单片机的最快运行速度，在本发明实施例中的控制周期具体为10ms，即每间隔10ms，单片机计算新的横波输出角度以及纵波输出角度，并根据横波输出角度生成第一pwm值根据纵波输出角度生成第二pwm值。
[0108]
作为其中一种实施方式，本发明实施例中的单片机控制板采用stm32f7系列高性能芯片，其时钟频率可达216mhz，且内部具有硬件浮点计算单元，可以保证控制过程中的计算速度，保证控制的精度以及提高控制的分辨率。
[0109]
在上述方法中，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的步骤s1和步骤s2之间还包括以下步骤：迭代次数k初始化为零，时间值t等于控制周期
△
t以及迭代次数k的乘积，即，迭代次数k＝0；时间值t＝k*
△
t；其中，
△
t为控制周期。
[0110]
在上述方法中，在步骤3之后还包括以下步骤：s4、等待一个控制周期
△
t之后，更新迭代次数k1以及时间值t1，返回步骤s2进行循环。具体地，更新后的迭代次数k1＝k+1；更新后的时间值t1＝k1*
△
t，更新后返回至步骤s2重新开始计算横波输出角度以及纵波输出角度。
[0111]
在上述方法中，为了保证波动鳍8在波动的过程中，即使频率变化其波动的波形也能连续，作为其中一种实施方式，本发明实施例中的横波波动方程和纵波波动方程采用相位增量式计算方法。
[0112]
具体地，横波波动方程的相位增量式计算公式具体为：
[0113][0114]
其中，f1为横波波动频率，θm为横向波动幅值，i为第二驱动件的编号，k为迭代次数，θ0是波动鳍的偏置角度；φ(i)为横波相位。
[0115]
纵波波动方程的相位增量式计算公式具体为：
[0116][0117]
其中，f2为纵波波动频率，βm为纵向波动幅值，i为第一驱动件的编号，k为迭代次数，ω(i)为纵波相位。
[0118]
通过采用相位增量式计算方法，即使在运行的过程中，横波波动频率和纵波波动频率发生变化，波动鳍8产生波动的波形也能够连续。
[0119]
其中，当迭代次数初始化为零，各个第二驱动件的横波相位φ(i,0)具体为：
[0120][0121]
当迭代次数初始化为零，各个第一驱动件的纵波相位ω(i,0)具体为：
[0122]
ω(i,0)＝2πf2t＝0,i＝1,2,...,n
ꢀꢀ
(10)
[0123]
在上述方法中，作为其中一种实施方式，波动参数，包括：横向波动频率f1、横向波动幅值θm、纵向波动频率f2、纵向波动幅值βm以及偏置角度θ0，其中，当偏置角度等于0时，波动鳍8的波动平衡位置位于本体1中心面上，驱动本体1直线行驶；当偏置角度大于0时，波动鳍8的波动平衡位置位于本体1中心面的左侧，波动鳍8具有向右偏航力矩，驱动本体1向右转弯；当偏置角度小于0时，波动鳍8的波动平衡位置位于本体1中心面的右侧，波动鳍8具有向左偏航力矩，驱动本体1向左转弯。当控制波动鳍的波动方向相反时，分别产生前进和后退的动力，从而实现本体前进后退运动。此时，能够实现在水下多模式的运动。
[0124]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种仿生波动推进装置，其特征在于，包括：本体(1)；间隔设置在所述本体(1)上的驱动组件，所述驱动组件包括第一驱动件(2)，与第一驱动件(2)的驱动端相连的摆动架(3)，所述摆动架(3)上设置有第二驱动件(4)，所述第二驱动件(4)的驱动端与摆盘(5)相连；与所述摆盘(5)之间通过转动组件(6)活动连接的夹条(7)，所述夹条(7)远离所述摆盘(5)的一端与波动鳍(8)相连。2.根据权利要求1所述的仿生波动推进装置，其特征在于，所述摆动架(3)的回转轴线与所述摆盘(5)的回转轴线相交，且所述摆动架(3)的回转轴线与所述第二驱动件(4)的驱动端的摆动平面共面。3.根据权利要求2所述的仿生波动推进装置，其特征在于，所述转动组件(6)，包括：与所述摆动架(3)远离所述第二驱动件(4)的一端相连的转动座(61)；与所述转动座(61)之间可转动连接的第一转轴(62)，所述第一转轴(62)远离所述转动座(61)的一端与所述夹条(7)相连。4.根据权利要求3所述的仿生波动推进装置，其特征在于，所述夹条(7)具体由弹簧钢材料制成。5.根据权利要求1至4中任一项所述的仿生波动推进装置，其特征在于，所述摆动架(3)，包括：与所述第一驱动件(2)的驱动端相连的第一支撑板(31)；与所述第一支撑板(31)远离所述第一驱动件(2)的一端的第二支撑板(32)，所述第二支撑板(32)上设置有用于安装所述第二驱动件(4)的安装槽(33)，所述第二驱动件(4)固定设置在所述第二支撑板(32)上。6.根据权利要求5所述的仿生波动推进装置，其特征在于，所述摆动架(3)，还包括：与所述第二支撑板(32)远离所述第一支撑板(31)的一端相连的第三支撑板(34)，所述第三支撑板(34)上固定设置有第二转轴(35)，所述第二转轴(35)通过轴承组件(36)与本体(1)连接，所述第二转轴(35)的轴线方向与所述第一驱动件(2)的轴线方向重合。7.根据权利要求1所述的仿生波动推进装置，其特征在于，还包括：设置在所述本体(1)的顶部的密封舱(9)，所述密封舱(9)的两侧设置有通孔(91)；设置在所述通孔(91)内，与所述通孔(91)密封连接的穿线螺丝(92)，所述穿线螺丝(92)上设置有过线孔；与所述密封舱(9)的顶部密封连接的密封盖(93)。8.根据权利要求1所述的仿生波动推进装置，其特征在于，还包括：固定设置在所述本体(1)的顶部的力传感器(14)；与所述力传感器(14)固定连接的测量平台(15)。9.一种波动控制方法，用于权利要求1至8中任一项所述的仿生波动推进装置中，其特
征在于，包括以下步骤：s1、预设横向波动方程、纵向波动方程、波动参数、时间值以及控制周期；s2、根据所述时间值、所述横向波动方程、所述纵向波动方程以及所述控制周期，获取横波输出角度以及纵波输出角度；s3、根据所述横波输出角度生成第一pwm值，并输出第一pwm值控制第二驱动件(4)的驱动端输出横波输出角度，根据所述纵波输出角度生成第二pwm值，并输出第二pwm值控制第一驱动件(2)的驱动端输出纵波输出角度。10.根据权利要求9所述的波动控制方法，其特征在于，在步骤s1和步骤s2之间还包括以下步骤：迭代次数初始化为零，时间值等于控制周期与迭代次数的乘积。11.根据权利要求10所述的波动控制方法，其特征在于，在步骤3之后还包括以下步骤：s4、等待一个控制周期之后，更新迭代次数以及时间值，返回步骤s2进行循环。12.根据权利要9求所述的波动控制方法，其特征在于，所述波动参数，包括：横向波动频率、横向波动幅值、纵向波动频率、纵向波动幅值以及偏置角度，其中，当所述偏置角度等于0时，波动鳍(8)的波动平衡位置位于本体(1)的中心面上，驱动所述本体(1)沿直线行驶；当所述偏置角度大于0时，所述波动鳍(8)的波动平衡位置位于所述本体(1)的中心面的左侧，所述波动鳍(8)具有向右偏航力矩，驱动所述本体(1)向右转弯；当所述偏置角度小于0时，所述波动鳍(8)的波动平衡位置位于所述本体(1)的中心面的右侧，所述波动鳍(8)具有向左偏航力矩，驱动所述本体(1)向左转弯。

技术总结
本申请公开一种仿生波动推进装置以及波动控制方法，包括：本体；间隔设置在所述本体上的驱动组件，所述驱动组件包括第一驱动件，与第一驱动件的驱动端相连的摆动架，所述摆动架上设置有第二驱动件，所述第二驱动件的输出端与摆盘相连，所述摆动架的回转轴线与所述摆盘的回转轴线相交；与所述摆盘之间通过转动组件活动连接的夹条，所述夹条远离所述摆盘的一端与波动鳍相连。本申请提供的仿生波动推进装置以及波动控制方法，相较于现有技术而言，能够带动波动鳍生成更加复杂的波形，以使得波动鳍能够产生更加复杂的动作，以应对更加多样的环境。境。境。


技术研发人员：尚建忠 罗自荣 夏明海 殷谦 白向娟 蒋涛 卢忠岳 朱一鸣 徐毓泽 朱群为
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/5/5