一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法

1.一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，建立多胸鳍拍动式机器鱼通信场景，设计多胸鳍拍动式机器鱼之间的作用拓扑关系图，表明各胸鳍拍动式机器鱼之间的相互作用关系；步骤二，建立单个胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型；基于胸鳍拍动式机器鱼胸鳍拍动过程中的空间和时间非对称性特征、尾部拍动的空间和时间非对称性特征以及胸鳍与尾部的运动关系，建立胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型；步骤三，基于单个胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型，采用最近邻连接方式对每个胸鳍拍动式机器鱼构建CPG拓扑网络，确定每个机器鱼各CPG单元间的耦合关系；步骤四，针对单个机器鱼S，采用模糊闭环控制策略实现该机器鱼S的航向和速度的定量控制，并将航向参数和速度参数输入该机器鱼S的CPG拓扑网络，生成该机器鱼S控制舵机的PWM信号；具体为：首先，根据当前机器鱼S中的传感器反馈的实际航向，以及控制指令中心确定的期望航向，计算实际航向与期望航向的差作为航向模糊控制器的偏差输入；然后，将偏差输入通过航向模糊控制器进行查表运算，生成航向参数δ Y 的值；最后，通过航向参数转换将δ Y 转换为期望相位差，并作为当前机器鱼S的CPG拓扑网络的参数输入，经CPG拓扑网络生成控制舵机的PWM信号；航向参数转换方程表示为：其中， 为序号I单元与序号J单元之间的期望相位差极大值，为非负数；当δ Y 小于0，机器鱼左转弯，此时随着δ Y 从0变到-1，右侧胸鳍鳍条间的期望相位差维持 不变，左侧胸鳍鳍条间的相位差由 变到 δ Y 绝对值越大，转弯速度越大半径越小；当δ Y 大于0，机器鱼右转弯，此时随着δ Y 从0变到1，左侧胸鳍鳍条间的期望相位差维持 不变，右侧胸鳍鳍条间的相位差由 变到 同理，利用相应的模糊控制器和参数转换，得到速度参数δ V 和深度参数，并输入当前机器鱼S的拓扑网络，生成控制舵机的PWM信号；速度参数转换方程表示为：其中，当δ V 小于0，表示机器鱼倒游；当δ V 大于0，表示机器鱼前游；δ V 的绝对值越大，速度绝对值越大； 为振幅系数，k T 为周期系数，T 0 为机器鱼胸鳍摆动周期；步骤五，将胸鳍拍动式机器鱼编队的动力学方程转化为积分器动态模型，根据有向切换通信拓扑的虚拟领导者-跟随者编队跟踪算法，设计多胸鳍拍动式机器鱼在有向固定拓扑条件下的编队跟踪控制协议；所述的有向切换通信拓扑的虚拟领导者-跟随者编队跟踪算法，具体设计流程如下：步骤501，建立虚拟领导者-跟随者的系统模型，设计虚拟领导者与各跟随者之间的通信作用拓扑图，对于每个跟随者，存在一棵以虚拟领导者为根节点的生成树；所述的系统模型包含一个虚拟领导者和N个跟随者；虚拟领导者的状态模型表示为其中 表示虚拟领导者的状态， 表示虚拟领导者的输入；各跟随者的状态模型表示为其中 表示跟随者集合， 表示跟随者i对应的状态， 表示跟随者i对应的控制输入； 和 表示系统矩阵，且B为列满秩矩阵，即rank(B)＝m；步骤502，设计不同拓扑切换的通信作用拓扑图，使切换的通信拓扑均包含有向生成树，编队队形在拓扑切换时刻重新组成目标编队进行运动；令切换拓扑集合为 p≥1表示所有的有向通信拓扑图集合；定义切换拓扑关系信号指数为σ(t)，其中 定义t 0 ＝0为初始时刻，0＝t 0 ＜t 1 ＜t 2 ＜…＜t p 表示切换拓扑关系信号指数的切换时刻； 为t时刻的拓扑图；整个系统的通信拓扑关系在时间区间[t j ,t j+1 )， 内保持不变，即该时间区间内拓扑图是固定的；虚拟领导者-跟随者编队跟踪系统的拉普拉斯矩阵为：其中 表示t时刻跟随者内部之间的通信拓扑关系， 表示虚拟领导者与跟随者之间的通信拓扑关系；步骤503，为跟随者设计编队参考函数，并判断其是否满足编队可行性条件，若是，则执行步骤504；否则，则重新选取跟随者的编队参考函数，直至满足编队可行性条件；跟随者的编队参考函数为 为第i个跟随者的期望编队；编队可行性条件为：其中 步骤504，基于编队可行性条件，对编队跟踪算法相关的参数进行求解，进而得到编队跟踪控制协议；设计状态反馈的编队跟踪控制协议为：其中 为常数增益矩阵， 是由编队参考函数h(t)决定的外部指令信号；步骤六，基于编队跟踪控制协议得到单个胸鳍拍动式机器鱼的动力学方程，并结合单个胸鳍拍动式机器鱼的运动学方程，使得跟随者机器鱼按照设计的编队队形跟随虚拟领导者轨迹进行编队跟踪运动，实现胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制。 2.根据权利要求1所述的一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，步骤一中所述的多胸鳍拍动式机器鱼之间的作用拓扑关系图的具体设计过程为：将机器鱼之间的信息流建模为一个通信图 该通信图中具有N个节点的非空有限集合 表示机器鱼的状态，N代表机器鱼的数量；通信图中一组边 代表机器鱼之间的通信信息传输流向；(v i ,v j )表示节点v i 到节点v j 的信息传播流向，即节点v j 接收节点v i 的信息；通信图中没有重复的边或自循环，即 在多胸鳍拍动式机器鱼通信场景中，信息沿着有向边通过通信图传播；将邻接矩阵表示为A＝[a ij ] N×N ，如果(v j ,v i )∈ε，则a ij ＝1；否则，a ij ＝0；不考虑节点自身之间的作用，即邻接矩阵的对角元素满足a ii ＝0；节点v i 的邻居集合定义为N i ＝{v j |(v j ,v i )∈ε}，即有信息流向节点v i 的其它节点集合；将入度矩阵定义为对角矩阵D＝diag(d 1 ,…,d N )，其中d i 为节点i的入度， 即邻接矩阵A的第i行之和；定义通信图的拉普拉斯矩阵为L＝D-A，它的所有行的行和都等于零。 3.根据权利要求1所述的一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，所述的胸鳍拍动式机器鱼的运动学模型表示为：式中，I和J表示控制机器鱼胸鳍拍动的CPG单元序号，取值为1-8，对应于驱动机器鱼胸鳍拍动的舵机编号；ν I 表示序号I的CPG单元频率输出，φ I 表示序号I的CPG单元相位输出，r I 表示序号I的CPG单元振幅输出，x I 表示序号I的CPG单元偏置输出，θ I 表示序号I的CPG单元角度输出，β I 为序号I的CPG单元空间非对称系数，α I 为序号I的CPG单元时间非对称系数；T I 表示序号I的CPG单元周期，ω IJ 表示序号I单元与序号J单元间的连接权重， 表示序号I单元与序号J单元的期望相位差，R I 为机器鱼胸鳍序号I的CPG单元的期望振幅，X I 为机器鱼胸鳍序号I的CPG单元的期望偏置，k、a I 和b I 为正值常数。 4.根据权利要求1所述的一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，步骤三中所述的CPG拓扑网络的相关参数是当前机器鱼中各CPG单元的期望相位差矩阵 和耦合权重矩阵ω；拓扑网络的期望相位差矩阵 表示为：耦合权重矩阵ω确定CPG单元的拓扑连接形式，表示为： 5.根据权利要求1所述的一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，胸鳍拍动式机器鱼的游动速度与所述的速度参数δ V 为线性正比关系；胸鳍拍动式机器鱼的转弯速度与所述的速度参数δ V 相关，当δ Y 不变时，δ V 越大，拍动振幅R I 和频率ν更大，单侧胸鳍产生的推力更大，从而两侧胸鳍推力形成的转弯扭矩更大；同时，转弯速度与所述的航向参数δ Y 近似线性关系。 6.根据权利要求1所述的一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，所述的编队跟踪算法相关的参数包括：(1)存在一个非奇异矩阵 满足 其中 计算 和 (2)选定κ＞0，求解下述线性矩阵不等式，得到可行解P＞0；A T P+PA-αPBB T P+κP＜0(3)选择α＞0，使其满足 (4)通过 计算正定对称矩阵Q σ(t) ；(5)通过K＝-B T P，计算常数增益矩阵 (6)选择切换拓扑的最小驻留时间τ 0 满足lnh 0 -κτ 0 ＜0；其中 7.根据权利要求1所述的一种有向切换拓扑胸鳍拍动式机器鱼编队切换控制方法，其特征在于，步骤六中所述的胸鳍拍动式机器鱼的动力学方程的具体计算过程为：理想条件下，建立机器鱼在二阶积分器形式的下的动态模型为：其中，γ i 和τ i 分别表示第i个机器鱼在二维平面下坐标系中的位置信息，θ i 表示第i个机器鱼在二维平面下的航向信息，ω i 表示转动角速度；将速度积分控制模型表示为：其中u i 为编队跟踪控制算法对应的控制输入；进一步，将速度控制项表示为：其中，q i 为中间变量；基于反馈线性化方法设计控制律为：则，单个机器鱼的编队控制算法非线性动力学方程可线性化为：其中，ξ i ＝[x xi ,v xi ,x yi ,v yi ] T ，u i ＝[u xi ,u yi ] T ；矩阵A、B表示如下：