本发明公开了一种单驱动机器鱼及其平面运动控制方法，机器鱼包括水平支撑架、浮漂组件、压电驱动组件、柔性铰链传动机构、传动杆和鱼鳍；水平支撑架呈轴对称的X状，浮漂组件设置在水平支撑架上；水平支撑架前后分别连接有一个传动杆，传动杆两端分别经一个柔性铰链传动机构与水平支撑架相应侧的两个端点相连；压电驱动组件的中部与水平支撑架的中心固定连接，且其两端分别经第一柔性铰链与相应的传动杆中心相连后悬空设置；柔性铰链传动机构上设置有鱼鳍。优点是：机器鱼基于便于灵活控制弯曲变形的压电驱动结构，与驱动‑传动设计实现的前后反对称的鱼鳍摆动配合，以单一驱动器实现呈对称分布的四鱼鳍摆动，得到利于机器鱼平稳移动的驱动力。
1.一种单驱动机器鱼，其特征在于：包括水平支撑架、浮漂组件、压电驱动组件、柔性铰链传动机构、传动杆和鱼鳍；所述水平支撑架呈轴对称的X状且其前侧和后侧的夹角小于
90°，所述浮漂组件设置在所述水平支撑架的中心；所述水平支撑架的前侧和后侧分别连接有一个传动杆，所述传动杆的两端分别经一个柔性铰链传动机构与水平支撑架相应侧的两个端点对应相连；所述压电驱动组件的中部与所述水平支撑架的中心固定连接，所述压电驱动组件的两端分别沿水平支撑架前后两个锐角夹角的平分线向外延伸，且延伸端经第一柔性铰链与相应的传动杆中心相连后悬空设置；各所述柔性铰链传动机构上均设置有鱼鳍，各所述鱼鳍均指向机身的正后方；
所述柔性铰链传动机构包括刚性杆和第二柔性铰链，四个刚性杆经第二柔性铰链依次相连构成矩形的柔性铰链传动机构；相邻两个刚性杆经一个第二柔性铰链相连，所述第二柔性铰链的两端分别对应贴合固定在相邻两个刚性杆的内侧；
水平支撑架的端点和传动杆的端部分别连接在前后平行相对设置的两个刚性杆的外侧；所述鱼鳍设置在位于远离所述压电驱动组件一侧的刚性杆的外侧。
2.根据权利要求1所述的单驱动机器鱼，其特征在于：所述压电驱动组件为一个压电驱动梁；
或者，所述压电驱动组件由两个压电驱动梁构成，两个压电驱动梁同轴反向设置，且分别位于水平支撑架前后两个锐角夹角的平分线上，各压电驱动梁的一端与水平支撑架的中心相连，另一端向外延伸且经第一柔性铰链与传动杆中心相连后悬空设置；两个压电驱动梁的驱动电极并联。
3.根据权利要求2所述的单驱动机器鱼，其特征在于：所述压电驱动梁为双晶片结构；
所述压电驱动梁包括叠加设置的两层极化相反的压电材料以及两个接入压电驱动信号的驱动电极，或者，所述压电驱动梁包括叠加设置的一层压电材料和一层弹性材料以及两个接入压电驱动信号的驱动电极。
4.根据权利要求1所述的单驱动机器鱼，其特征在于：所述浮漂组件包括竖直支撑杆和浮漂；所述竖直支撑杆的底端与所述水平支撑架的中心连接，所述竖直支撑杆垂直于所述水平支撑架向上延伸，所述浮漂设置在所述竖直支撑杆的顶端。
5.一种单驱动机器鱼的平面运动控制方法，其特征在于：方法用于控制上述权利要求1至4任一所述的单驱动机器鱼的运动；所述方法包括，S1、获取单驱动机器鱼的前向运动加速指令和转向加速指令；
S2、基于前向运动加速指令和转向加速指令，运算获取各鱼鳍摆动所需最大摆角和摆动中心偏角；
S3、基于鱼鳍摆动的最大摆角和摆动中心偏角，计算获取单驱动机器鱼的压电驱动组件所需非对称驱动信号的关键参数；
S4、依据关键参数生成非对称驱动信号输入单驱动机器鱼实现运动控制。
6.根据权利要求5所述的单驱动机器鱼的平面运动控制方法，其特征在于：步骤S1具体为，
基于单驱动机器鱼的机身坐标系，将单驱动机器鱼当前平面运动的目标指令分为沿Xb轴移动的前向运动加速指令和绕Zb轴旋转的转向运动加速指令；
若对单驱动机器鱼进行开环运动控制，则直接由上位机提供调节前向运动速度的前向运动加速指令和调节转向运动速度转向运动加速指令，实现单驱动机器鱼的运动控制；
若结合单驱动机器鱼的当前运动状态进行闭环运动控制，则根据单驱动机器鱼的当前运动状态信息和目标指令的偏差通过PID控制算法运算获取调节前向运动速度的前向运动加速指令和调节转向运动速度的转向运动加速指令，实现单驱动机器鱼的运动控制。
7.根据权利要求6所述的单驱动机器鱼的平面运动控制方法，其特征在于：步骤S2具体为，基于单驱动机器鱼的运动学模型，将前向运动加速指令和转向运动加速指令换算为需要提供给单驱动机器鱼的前向合推力Fx和转向力矩τz，并基于单驱动机器鱼的两自由度驱动力的动力学原理，计算各鱼鳍摆动所需最大摆角α和摆动中心偏角β。
8.根据权利要求7所述的单驱动机器鱼的平面运动控制方法，其特征在于：所述单驱动机器鱼的两自由度驱动力的动力学原理具体为，各鱼鳍摆动时受到的平均推力均延其摆动中心方向向前，则当摆动中心偏转时，各鱼鳍受力Fs可以分解为沿Xb轴方向的纵向推力Fl和沿Yb轴方向的横向推力Ft，四个鱼鳍受到的纵向推力均指向Xb轴正方向，其加和构成机器鱼的前向合推力Fx；由于单驱动机器鱼的机身对称性，其前侧两个鱼鳍的摆动中心偏转方向与后侧两个鱼鳍时刻相反，使得两侧鱼鳍时刻受到的横向推力大小相等方向相反，结合四个鱼鳍在机身中的位置，该两组反向横向推力构成单驱动机器鱼的转向力矩τz；
具体地：单个鱼鳍以一定频率摆动所受到的平均推力Fs与其最大摆角α之间在理想条件近似下呈确定的单调关系，函数关系为Fs(α)；各鱼鳍依据其摆动中心偏转角度β将平均推力分解为纵向推力Fl＝Fs(α)cos(β)和横向推力Ft＝Fs(α)sin(β)，单驱动机器鱼驱动力中的合推力Fx＝4Fs(α)cos(β)，转向力矩τz＝2dFs(α)sin(β)；
9.根据权利要求8所述的单驱动机器鱼的平面运动控制方法，其特征在于：步骤S3具体为，根据单驱动机器鱼的压电驱动组件自身压电驱动特性，其末端横向位移由输入的非对称驱动信号决定；结合压电驱动组件的末端横向位移导致柔性铰链传动机构中位于远离压电驱动组件一侧的刚性杆偏转角度的关系，非对称驱动信号的幅值a和偏置参数b分别决定与该刚性杆外侧固定的鱼鳍摆动的最大摆角α和各鱼鳍摆动中心偏角β，因此，由鱼鳍摆动所需最大摆角α和摆动中心偏角β计算压电驱动组件所需非对称驱动信号的幅值a与偏置参数b。
一种单驱动机器鱼及其平面运动控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种单驱动机器鱼及其平面运动控制方法。
背景技术
[0002] 水下移动机器人中，利用仿生原理实现高效游动的机器鱼多基于鳍状结构摆动获得水的推力实现机身的运动，相对于常规的螺旋桨驱动及活塞驱动方式可以实现更高的驱动效能以及更灵活的运动控制。对于机器鱼的驱动方式，相对于传统的电机驱动，新型压电式驱动方式更利于实现低能耗、大力矩、小尺寸、结构紧凑、无电磁干扰等优势。在驱动控制方面，电机式驱动所采用的常规将电机转动转换为鱼鳍摆动的摇杆等结构固定的传动机构，以及其依靠调节电机转速调整鱼鳍摆动频率的单一控制方式，都限制了其驱动控制效果，当需要对机器鱼机身或鱼鳍运动进行多自由度控制时，往往需要多组电机驱动模块配合多个驱动信号来实现。而实现小型化、轻质化、低功耗仿生机器鱼的灵活运动控制，采用新型驱动方式，匹配简洁的驱动结构设计，并结合基于简化控制信号的高效驱动方法，则是一个较全面解决上述问题的方向。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种单驱动机器鱼及其平面运动控制方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种单驱动机器鱼，包括水平支撑架、浮漂组件、压电驱动组件、柔性铰链传动机构、传动杆和鱼鳍；所述水平支撑架呈轴对称的X状且其前侧和后侧的夹角小于90°，所述浮漂组件设置在所述水平支撑架的中心；所述水平支撑架的前侧和后侧分别连接有一个传动杆，所述传动杆的两端分别经一个柔性铰链传动机构与水平支撑架相应侧的两个端点对应相连；所述压电驱动组件的中部与所述水平支撑架的中心固定连接，所述压电驱动组件的两端分别沿水平支撑架前后两个锐角夹角的平分线向外延伸，且延伸端经第一柔性铰链与相应的传动杆中心相连后悬空设置；各所述柔性铰链传动机构上均设置有鱼鳍，各所述鱼鳍均指向机身的正后方。
[0006] 优选的，所述柔性铰链传动机构包括刚性杆和第二柔性铰链，四个刚性杆经第二柔性铰链依次相连构成矩形的柔性铰链传动机构；相邻两个刚性杆经一个第二柔性铰链相连，所述第二柔性铰链的两端分别对应贴合固定在相邻两个刚性杆的内侧；
[0007] 水平支撑架的端点和传动杆的端部分别连接在前后平行相对设置的两个刚性杆的外侧；所述鱼鳍设置在位于远离所述压电驱动组件一侧的刚性杆的外侧。
[0008] 优选的，所述压电驱动组件为一个压电驱动梁；
[0009] 或者，所述压电驱动组件由两个压电驱动梁构成，两个压电驱动梁同轴反向设置，且分别位于水平支撑架前后两个锐角夹角的平分线上，各压电驱动梁的一端与水平支撑架的中心相连，另一端向外延伸且经第一柔性铰链与传动杆中心相连后悬空设置；两个压电驱动梁的驱动电极并联。
[0010] 优选的，所述压电驱动梁为双晶片结构；所述压电驱动梁包括叠加设置的两层极化相反的压电材料以及两个接入压电驱动信号的驱动电极，或者，所述压电驱动梁包括叠加设置的一层压电材料和一层弹性材料以及两个接入压电驱动信号的驱动电极。
[0011] 优选的，所述浮漂组件包括竖直支撑杆和浮漂；所述竖直支撑杆的底端与所述水平支撑架的中心连接，所述竖直支撑杆垂直于所述水平支撑架向上延伸，所述浮漂设置在所述竖直支撑杆的顶端。
[0012] 本发明的目的还在于提供一种单驱动机器鱼的平面运动控制方法，方法用于控制上述任一所述的单驱动机器鱼的运动；所述方法包括，
[0013] S1、获取单驱动机器鱼的前向运动加速指令和转向加速指令；
[0014] S2、基于前向运动加速指令和转向加速指令，运算获取各鱼鳍摆动所需最大摆角和摆动中心偏角；
[0015] S3、基于鱼鳍摆动的最大摆角和摆动中心偏角，计算获取单驱动机器鱼的压电驱动组件所需非对称驱动信号的关键参数；
[0016] S4、依据关键参数生成非对称驱动信号输入单驱动机器鱼实现运动控制。
[0017] 优选的，步骤S1具体为，
[0018] 基于单驱动机器鱼的机身坐标系，将单驱动机器鱼当前平面运动的目标指令分为沿Xb轴移动的前向运动加速指令和绕Zb轴旋转的转向运动加速指令；
[0019] 若对单驱动机器鱼进行开环运动控制，则直接由上位机提供调节前向运动速度的前向运动加速指令和调节转向运动速度转向运动加速指令，实现单驱动机器鱼的运动控制；
[0020] 若结合单驱动机器鱼的当前运动状态进行闭环运动控制，则根据单驱动机器鱼的当前运动状态信息和目标指令的偏差通过P I D控制算法运算获取调节前向运动速度的前向运动加速指令和调节转向运动速度的转向运动加速指令，实现单驱动机器鱼的运动控制。
[0021] 优选的，步骤S2具体为，基于单驱动机器鱼的运动学模型，将前向运动加速指令和转向运动加速指令换算为需要提供给单驱动机器鱼的前向合推力Fx和转向力矩τz，并基于单驱动机器鱼的两自由度驱动力的动力学原理，计算各鱼鳍摆动所需最大摆角α和摆动中心偏角β。
[0022] 优选的，所述单驱动机器鱼的两自由度驱动力的动力学原理具体为，
[0023] 各鱼鳍摆动时受到的平均推力均延其摆动中心方向向前，则当摆动中心偏转时，各鱼鳍受力Fs可以分解为沿Xb轴方向的纵向推力Fl和沿Yb轴方向的横向推力Ft，四个鱼鳍受到的纵向推力均指向Xb轴正方向，其加和构成机器鱼的前向合推力Fx；由于单驱动机器鱼的机身对称性，其前侧两个鱼鳍的摆动中心偏转方向与后侧两个鱼鳍时刻相反，使得两侧鱼鳍时刻受到的横向推力大小相等方向相反，结合四个鱼鳍在机身中的位置，该两组反向横向推力构成单驱动机器鱼的转向力矩τz；
[0024] 具体地：单个鱼鳍以一定频率摆动所受到的平均推力Fs与其最大摆角α之间在理想条件近似下呈确定的单调关系，函数关系为Fs(α)；各鱼鳍依据其摆动中心偏转角度β将平均推力分解为纵向推力Fl＝Fs(α)cos(β)和横向推力Ft＝Fs(α)sin(β)，单驱动机器鱼驱动力中的合推力Fx＝4Fs(α)cos(β)，转向力矩τz＝2dFs(α)sin(β)；
[0025] 其中，d为单驱动机器鱼的前后鱼鳍根部间距。
[0026] 优选的，步骤S3具体为，根据单驱动机器鱼的压电驱动组件自身压电驱动特性，其末端横向位移由输入的非对称驱动信号决定；结合压电驱动组件的末端横向位移导致柔性铰链传动机构中位于远离压电驱动组件一侧的刚性杆偏转角度的关系，非对称驱动信号的幅值a和偏置参数b分别决定与该刚性杆外侧固定的鱼鳍摆动的最大摆角α和各鱼鳍摆动中心偏角β，因此，由鱼鳍摆动所需最大摆角α和摆动中心偏角β计算压电驱动组件所需非对称驱动信号的幅值a与偏置参数b。
[0027] 本发明的有益效果是：1、本发明的单驱动机器鱼，结合低功耗高驱动力的压电驱动梁、高效能的柔性传动结构以及紧凑简洁高对称性的机身结构，实现小型化、轻质化、低功耗、高运动性能的水中移动机器人。2、本发明的单驱动机器鱼，基于便于灵活控制弯曲变形的压电驱动结构，与驱动‑传动设计实现的前后反对称的鱼鳍摆动配合，以单一驱动器实现呈对称分布的四鱼鳍摆动，得到利于机器鱼平稳移动的驱动力。3、本发明的单驱动机器鱼平面运动控制方法，结合机器鱼单一驱动器同步获得的反对称鱼鳍摆动，基于非对称驱动信号设计，通过独立调节幅值和偏置两参数，以单一驱动信号及驱动器实现机器鱼两速度自由度的平面运动控制。
附图说明
[0028] 图1是本发明实施例中单驱动机器鱼的结构示意图；
[0029] 图2是本发明实施例中柔性铰链传动机构的局部放大图；
[0030] 图3是本发明实施例中单驱动机器鱼的运动原理示意图；(a)为压电驱动梁向左弯曲；(b)为压电驱动梁恢复平直；(c)为压电驱动梁向右弯曲；
[0031] 图4是本发明实施例中单驱动机器鱼的平面运动控制方法流程图；
[0032] 图5是本发明实施例中单驱动机器鱼平面运动控制机体坐标系及受力示意图；
[0033] 图6是本发明实施例中单驱动机器鱼平面运动控制各鱼鳍受推力示意图；
[0034] 图7是本发明实施例中单驱动机器鱼平面运动控制所用非对称正弦驱动信号示意图。
[0035] 图中：1、水平支撑架；2、竖直支撑杆；3、浮漂；4、压电驱动组件；5、传动杆；6、柔性铰链传动机构；7、鱼鳍；8、刚性杆；801、内侧刚性杆；802、连接刚性杆；803、外侧刚性杆；804、四角刚性杆；9、第二柔性铰链；10、第一柔性铰链。
具体实施方式
[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037] 实施例一
[0038] 如图1所示，本实施例中，提供了一种单驱动机器鱼，包括水平支撑架1、浮漂组件、压电驱动组件4、柔性铰链传动机构6、传动杆5和鱼鳍7；所述水平支撑架1呈轴对称的X状且其前侧和后侧的夹角小于90°，所述浮漂组件设置在所述水平支撑架1的中心；所述水平支撑架1的前侧和后侧分别连接有一个传动杆5，所述传动杆5的两端分别经一个柔性铰链传动机构6与水平支撑架1相应侧的两个端点对应相连；所述压电驱动组件4的中部与所述水平支撑架1的中心固定连接，所述压电驱动组件4的两端分别沿水平支撑架1前后两个锐角夹角的平分线向外延伸，且延伸端经第一柔性铰链10与相应的传动杆5中心相连构成转动副后悬空设置；各所述柔性铰链传动机构6上均设置有鱼鳍7，各所述鱼鳍7均指向机身的正后方。
[0039] 本实施例中，水平支撑架1可以由两根刚性的水平杆于中心交叉固定构成，呈对称平面结构，两根水平杆朝向机身前方和后方的夹角都小于90°。所述浮漂组件包括竖直支撑杆2和浮漂3；所述竖直支撑杆2的底端与所述水平支撑架1的中心连接，所述竖直支撑杆2垂直于所述水平支撑架1向上延伸，所述浮漂3设置在所述竖直支撑杆2的顶端。浮漂3为由低密度固体材料制作的一定体积的流线型结构，用于给单驱动机器鱼提供足够浮力使其可以保持在接近水面的平面内运动。
[0040] 本实施例中，压电驱动组件4通过中心安装在竖直支撑杆2底端与水平支撑架1固定的位置，其沿两水平杆锐角夹角的平分线延伸，如图1中x轴方向。压电驱动组件4包括两种形式，
[0041] (1)、压电驱动组件4可以是一个整体的压电驱动梁，中心与水平支撑架1固定连接，前后两端悬空。
[0042] (2)、所述压电驱动组件4由两个前后等长的压电驱动梁构成，两个压电驱动梁同轴反向安装，且分别位于水平支撑架1前后两个锐角夹角的平分线上，各压电驱动梁的一端与水平支撑架1的中心相连，另一端向外延伸经第一柔性铰链10与相应的传动杆5中心相连后悬空设置；两个压电驱动梁的驱动电极并联。
[0043] 本实施例中，所述压电驱动梁为双晶片结构；压电驱动梁的结构也有两种形式，分别为，
[0044] (1)、所述压电驱动梁包括叠加设置的两层极化相反的压电材料以及两个接入压电驱动信号的驱动电极。
[0045] (2)、所述压电驱动梁包括叠加设置的一层压电材料和一层弹性材料以及两个接入压电驱动信号的驱动电极。
[0046] 压电驱动组件4安装到水平支撑架1时其晶片法线方向垂直于竖直支撑杆2，沿如图1中y轴方向，由此，非对称驱动信号输入压电驱动组件4使其产生弯曲变形进而使两端产生沿y轴方向的同向横向位移。
[0047] 本实施例中，四个柔性铰链传动机构6呈轴对称分布安装固定在水平支撑架1的四个端点处。所述柔性铰链传动机构6包括刚性杆8和第二柔性铰链9，四个刚性杆8经柔性铰链依次相连构成矩形的柔性铰链传动机构6；相邻两个刚性杆8经一个第二柔性铰链9相连，所述第二柔性铰链9的两端分别对应贴合固定在相邻两个刚性杆8的内侧；
[0048] 水平支撑架1的端点和传动杆5的端部分别连接在前后平行相对设置的两个刚性杆8的外侧；所述鱼鳍7设置在位于远离所述压电驱动组件4一侧的刚性杆8的外侧。
[0049] 柔性铰链传动机构6的结构如图2所示，为四边形结构，其中四个刚性杆8构成四个边；刚性杆8之间由第二柔性铰链9连接形成转动副，通过各第二柔性铰链9的弯曲改变各刚性杆8之间的夹角。四个刚性杆8分别为内侧刚性杆801、外侧刚性杆803、连接刚性杆802和四角刚性杆804，柔性铰链传动机构6中的内侧刚性杆801固定在水平支撑架1的端点处，与内侧刚性杆801相对的外侧刚性杆803固定在传动杆5的一端。由此压电驱动梁两端的横向位移通过传动杆5带动外侧刚性杆803产生相同横向位移。
[0050] 四个鱼鳍7根部固定在各柔性铰链传动机构6中的四角刚性杆804上，且均指向机身正后方，鱼鳍7呈扇形等仿生结构。
[0051] 单驱动机器鱼中的各柔性铰链优选由具有足够韧度的聚合物柔性膜制作，并在连接各刚性结构时留有足够长度以提供弯曲变形空间。
[0052] 本实施例中，单驱动机器鱼的工作原理为，当一个交变驱动信号输入压电驱动组件4，使其压电驱动梁产生一定频率的往复弯曲变形，在一个驱动周期中，如图3(a)，当压电驱动组件4向左弯曲，其两端均产生向左的横向位移，通过传动杆5带动柔性铰链传动机构6中的外侧刚性杆803同向位移，同时各柔性铰链传动机构6中的内侧刚性杆801固定，则通过柔性铰链弯曲实现四边形的夹角变化，各四角刚性杆804转动，带动各鱼鳍7摆动，由于机身的对称性，压电驱动组件4两端的同向横线位移产生前后两组鱼鳍7向相反方向摆动。如图3(c)，当反向的驱动电压使压电驱动组件4向右弯曲，其两端均产生向右的横向位移，与上述原理相同，各鱼鳍7朝另一方向摆动；由此连续的交变驱动信号输入压电驱动组件4，可以产生各鱼鳍7连续的摆动，从而与水产生相互作用，各鱼鳍7均受到延其摆动中心向前的平均推力，为机器鱼的运动提供驱动力。单驱动机器鱼不摆动时压电驱动组件4恢复平直，其状态如图3(b)所示。
[0053] 实施例二
[0054] 如图4所示，本实施例中，提供了一种单驱动机器鱼的平面运动控制方法，方法用于控制单驱动机器鱼的运动；所述方法包括，
[0055] S1、获取单驱动机器鱼的前向运动加速指令和转向加速指令；
[0056] 如图5所示，具体地：基于单驱动机器鱼的机身坐标系，将单驱动机器鱼当前平面运动的目标指令分为沿Xb轴移动的前向运动加速指令和绕Zb轴旋转的转向运动加速指令；根据单驱动机器鱼的运动控制需求不同，具体采用如下方式实现控制：
[0057] (1)、若对单驱动机器鱼进行开环运动控制，则直接由上位机提供调节前向运动速度的前向运动加速指令和调节转向运动速度转向运动加速指令，实现单驱动机器鱼的运动控制；
[0058] (2)、若结合单驱动机器鱼的当前运动状态进行闭环运动控制，则根据单驱动机器鱼的当前运动状态信息和目标指令的偏差通过PI D控制算法运算获取调节前向运动速度的前向运动加速指令和调节转向运动速度的转向运动加速指令，实现单驱动机器鱼的运动控制。
[0059] S2、基于前向运动加速指令和转向加速指令，运算获取各鱼鳍7摆动所需最大摆角和摆动中心偏角；
[0060] 具体地：基于单驱动机器鱼的运动学模型，将前向运动加速指令和转向运动加速指令换算为需要提供给单驱动机器鱼的前向合推力Fx和转向力矩τz，并基于单驱动机器鱼的两自由度驱动力的动力学原理，计算各鱼鳍7摆动所需最大摆角α和摆动中心偏角β。
[0061] 如图6所示，单驱动机器鱼的两自由度驱动力的动力学原理具体为，
[0062] 各鱼鳍7摆动时受到的平均推力均延其摆动中心方向向前，则当摆动中心偏转时，各鱼鳍7受力Fs可以分解为沿Xb轴方向的纵向推力Fl和沿Yb轴方向的横向推力Ft，四个鱼鳍7受到的纵向推力均指向Xb轴正方向，其加和构成机器鱼的前向合推力Fx；由于单驱动机器鱼的机身对称性，其前侧两个鱼鳍7的摆动中心偏转方向与后侧两个鱼鳍7时刻相反，使得两侧鱼鳍7时刻受到的横向推力大小相等方向相反，结合四个鱼鳍7在机身中的位置，该两组反向横向推力构成单驱动机器鱼的转向力矩τz；
[0063] 具体地：结合单驱动机器鱼的鱼鳍7具体形状，单个鱼鳍7以一定频率摆动所受到的平均推力Fs与其最大摆角α之间在理想条件近似下呈确定的单调关系，函数关系为Fs(α)；各鱼鳍7依据其摆动中心偏转角度β将平均推力分解为纵向推力Fl＝Fs(α)cos(β)和横向推力Ft＝Fs(α)sin(β)，单驱动机器鱼驱动力中的合推力Fx＝4Fs(α)cos(β)，转向力矩τz＝2dFs(α)sin(β)；其中，d为单驱动机器鱼的前后鱼鳍根部间距。
[0064] S3、基于鱼鳍7摆动的最大摆角和摆动中心偏角，计算获取单驱动机器鱼的压电驱动组件4所需非对称驱动信号的关键参数；
[0065] 如图7所示，具体地：根据单驱动机器鱼的压电驱动组件4自身压电驱动特性，其末端横向位移由输入的非对称驱动信号决定；结合压电驱动组件4的末端横向位移导致柔性铰链传动机构6中位于远离压电驱动组件4一侧的刚性杆8偏转角度的关系，非对称驱动信号的幅值a和偏置参数b分别决定与该刚性杆8外侧固定的鱼鳍7摆动的最大摆角α和各鱼鳍7摆动中心偏角β。因此，由鱼鳍7摆动所需最大摆角α和摆动中心偏角β计算压电驱动梁所需非对称驱动信号的幅值a与偏置参数b。
[0066] S4、依据关键参数生成非对称驱动信号输入单驱动机器鱼实现运动控制。
[0067] 本实施例中，单驱动机器鱼的平面运动控制方法中的各运算操作在计算机或微控制器等满足运算功能的设备中进行。该方法能够采用一个双参数独立可调的非对称驱动信号同时调节机器鱼受到的合推力和力矩，以控制其延机身坐标Xb轴方向的前向速度和围绕Zb轴的角速度，实现两速度自由度的平面运动控制。
[0068] 通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
[0069] 本发明提供了一种单驱动机器鱼及其平面运动控制方法，本发明的单驱动机器鱼，结合低功耗高驱动力的压电驱动梁、高效能的柔性传动结构以及紧凑简洁高对称性的机身结构，实现小型化、轻质化、低功耗、高运动性能的水中移动机器人。本发明的单驱动机器鱼，基于便于灵活控制弯曲变形的压电驱动结构，与驱动‑传动设计实现的前后反对称的鱼鳍摆动配合，以单一驱动器实现呈对称分布的四鱼鳍摆动，得到利于机器鱼平稳移动的驱动力。本发明的单驱动机器鱼平面运动控制方法，结合机器鱼单一驱动器同步获得的反对称鱼鳍摆动，基于非对称驱动信号设计，通过独立调节幅值和偏置两参数，以单一驱动信号及驱动器实现机器鱼两速度自由度的平面运动控制。
[0070] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
