ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITODepartamento de Energía y Mecánica

Carrera de Ingeniería Mecatronica

MÉTODO DE CONTROL DIFUSO PARA EL MODELADO

Y LA INVESTIGACIÓN DEL CONTROL DE LA

EFICIENCIA DE NATACIÓN EN UN PEZ ROBÓTICO

AUTORES:

LI WEN,

TIANMIAO WANG,

GUANHAO WU,

JIANHONG LIANG,

CHAOLEI WANG

Índice: Introducción

Modelo dinámico

Métodos de control

Diseño de pez robótico y dispositivos experimentales

Cinemática del modelado del cuerpo y de la aleta

caudal

Modelado de la aleta caudal

Modelado de empuje del cuerpo

Sustentación hidrodinámica

Introducción:

En este paper, las técnicas analíticas y métodos de lógica difusase aplican a la modelización dinámica y eficiente de control denatación de un pez robótico. El pez robot bioinspirado, que sigue unaréplica exacta de un vivo, mediante el modelado trata de interpretar elcuerpo ondulante y la cola del pez de forma independiente utilizandométodos analíticos.

La comparación de los resultados de las simulaciones y experimentosmuestra la viabilidad de la dinámica del modelo. Usando este modelo,se encontró que el control de armónicos y el ángulo de la aleta caudalde ataque es un mecanismo principal mediante el cual el pescadorobótico puede obtener una alta eficiencia de empuje para lanatación.

El método de control difuso, que se basa en el conocimiento delcomportamiento dinámico del pez robótico. Al comparar el rendimientode empuje del pez robot con diferentes métodos de control a través dela simulación, se ha establecido que el controlador difuso ha sido capazde lograr una aceleración más rápida y un error de estado estacionariomenor que lo que podría lograrse a partir de un circuito abiertoconvencional y proporcional-integral-controlador derivativo.

Mediante la ingeniería biónica, elrendimiento alto empuje de los pecesse ha utilizado para compensar losdefectos de los vehículos tradicionalesbajo el agua, en particular la bajaeficiencia.

La presente investigación tiene comoobjetivo investigar cómo el pez robotbiomimético puede nadar en el aguade manera eficiente.

Gracias a las investigaciones previas y las contribucionesactuales, los modelos se pueden clasificar en dos categorías:modelos dinámicos y método de control para el pez robot.

Modelo Dinámico

En los estudios convencionales de pez robot, el cuerpo y la cola sontratados juntos como una sola curva ondulante móvil. Sin embargo,resultados de la observación han demostrado que la aleta caudal depeces se somete a diferentes ángulos de pendiente y se mueveindependientemente de las ondulaciones del cuerpo.

Teniendo en cuenta el enfoque analítico para el modelado dinámicodel empuje cuerpo ondulante, la teoría alargada de cuerpo de granamplitud (LAEBT) se utiliza para proporcionar un modelo dinámico paraun número de movimientos planos.

La dinámica de natación se calculan mediante el tratamiento de lafuerza de empuje del cuerpo y la aleta caudal separado.

Para validar la viabilidad del modelo dinámico, se han producido losexperimentos sistemáticos para las pruebas de rendimiento dinámicoque sólo pueden llevarse a cabo mediante un modelo de laboratorioque permite observar los patrones de movimiento específicos y ciertasmediciones cuantitativa.

Métodos de control

El método de bucle abierto normalmente se aplica a

movimientos mecánicos discretos para adaptarse a la curva del

cuerpo continua o adoptando el método de generador centralde patrones para generar directamente la señal sinusoidal para

las articulaciones.

Modelo basado en control de bucle cerrado utiliza métodos

analíticos basados en el efecto del fluido para estimar el estado

del pescado robótico, que también permite la investigación decontrol tales como el seguimiento de la trayectoria y las

maniobras de control para llevar a cabo.

Los resultados sugieren que el control de la lógica difusa es muy

adecuado para el control de movimiento de los peces robótico.

Sin embargo, estos métodos de control no tienen la eficiencia de

empuje, que es la más importante para el rendimiento de

natación de un pez robótico.

Se propone implementar un método de control difuso basado en

el conocimiento hidrodinámico.

Diseño de pez robótico y dispositivos

experimentales

En la figura1 muestra una serie de seccionestransversales del cuerpo de un pez robótico, en tresdimensiones. El nadador tiene dos aletas dorsales y dosaletas pélvicas, que están situados por detrás del centrode masa. La sección se divide en cuatro regiones:

1) las correas mecánicas y ruedas con cojinetes quedesempeñan el papel de los peces "columna vertebral",

2) espumas y otros materiales flexibles desempeñar elpapel de "músculos";

3) sílice que imita el "piel ",

4) las aletas impares.

Figura 1. "Anatomía" de un pez robótico, donde se

muestran imágenes de las vistas en sección

transversal.

El modelo longitud total de 0,59 m y se compone de un cuerpoprincipal aerodinámico capaz de flexión y una aleta caudal rígida.

Una piel exterior resistente al agua se utiliza para envolver todo elesqueleto mecánico multienlace para producir una forma lisa, quees capaz de ondulación en forma de pez con una curva de ajustede forma, como puede verse en la figura. 2

En la figura 2. (a) ase muestra os dispositivos de accionamiento delas rotaciones relativas de los enlaces robóticas y la curva de ajustereal.

En la figura 2. (b) vista esquemática de la caballa robótico y suaplicación en el interior.

Cada enlace mecánico es capaz de girar con respecto a susvecinos a través de enlaces de activación de cuatro servomotores.Como se muestra en la figura. 2 (c), una correa transmite elmovimiento a los enlaces individuales con las fuerzas de fricciónmínimas

La figura 2 (d) muestra los componentes mecánicos delaparato de ensayo, donde los peces robótico y suscomponentes asociados son fijados en un transductor defuerza de componentes múltiples que se sujeta al carrode remolque. La fuerza externa de los peces robótico semide usando un transductor de fuerza piezoeléctricoque se monta verticalmente por encima de los peces.

La unidad de control y fuente de alimentación para elpez robot y el sistema láser y la cámara utilizada para lavisualización de flujo están todos montados en undescanso del carro accionado por correa en los carrilesque van en la dirección de remolque (dirección x). Eldepósito de agua, que es 7,8 m × 1,2 m x 1,1 m, ofrece elmodelo robótico con el espacio suficiente para moversin ser afectado por los límites de cada lado.

Figura 2. Diseño de pez robótico y dispositivos

experimentales

Figura 4. Esquema de una natación de los pescados

ondulada a una velocidad U autopropulsada en

coordenadas x, y global, donde o indica el centro de la

masa de pescado, y el símbolo S denota la línea media

a lo largo del cuerpo del pez.

Cinemática del Modelado del Cuerpo y de la aleta caudal

El método LAEBT se puede utilizar para evaluar la fuerza de empujedel cuerpo inducida de un pez mediante la eliminación de la aletacaudal.

La cinemática del cuerpo de los peces descritos tiene un movimientoen función del tiempo predeterminado, con el aumento de laamplitud de la cabeza y se espera que asuma la forma

h (x, t) = (c1x + c2x2) sen [kx ± wt], 0 <x <L-c

Donde: h (x, t) desplazamiento a lo largo de la dirección lateral en unsistema de coordenadas fijo

c longitud de la cuerda de la aleta caudal

k = 2π / λ número de onda

ω = 2πf frecuencia circular de oscilación

c1 y c2 se aplican y se ajustan para conseguir un valor específicopara la envolvente de amplitud de todo el cuerpo de los peces.

Modelado de la aleta caudal

Figura 4. Definición de la velocidad

relativa V y el ángulo de ataque

α (t) para una cola de aleteo.

A partir de la figura. 4, la oscilación vertical y cabeceo de la cola de aleteo en el

punto de giro (es decir, el centro de masa) se definen como

hc y θc oscilación vertical y cabeceo, L longitud del pez, c longitud de la aleta

caudal, f frecuencia de aleteo, θmax amplitud - ángulo de inclinación de la aletacaudal, ψ fase

Ángulo de ataque se ajusta lo siguiente para

mejorar el rendimiento de empuje de la cola

de aleteo:

Movimiento de cabeceo de la aleta caudal

dado por:

Modelado de empuje del cuerpo

Cuando el cuerpo de los peces es relativamente

alargado y sus cambios del área de sección transversal

son bajos a lo largo de su longitud, se aplica el método

de LAEBT en cuerpo ondulatorio del pez para obtener

el empuje

donde Tb indica la fuerza de empuje producida por un

cuerpo puro y ma denota el coeficiente de masa

añadida por unidad de longitud.

La figura 6 muestra los gráficos para la distribución del

pez robótico de masa corporal y la distribución de

masa añadida lateral, que tiene el efecto

hidrodinámico medio de aleta.

Sustentación hidrodinámica

La expresión de la fuerza de sustentación

hidrodinámica toma la siguiente forma:

SIMULACIÓN Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

Para validar la viabilidad del modelo dinámico e investigar el

rendimiento de empuje de pez robot, ambas simulaciones y

experimentos se realizaron pruebas sistemáticas en varias

frecuencias ondulantes fijos: f = 0,4 a 2,2 Hz, con incrementos de

0,2 Hz.

En cada valor de frecuencia ondulado, se realizaron las pruebas

para un número de ángulos máximos fijos de ataque, donde

αmax = 15 ◦, 20 ◦, and25 ◦. Además, para cada combinación de f y

αmax, la amplitud adimensional se fijó en h = 0.075,0.1, and0.125

en la prueba, donde la amplitud h adimensional se define como h

= Hmax / L

Resultados de la simulación y

Homologaciones En primer lugar, se muestra el rendimiento de natación del resultado

de la simulación dinámica.

(a) presenta tres carreras de simulación, que muestran los componentes de la velocidad del centro de masa para tres resultados distintos de natación en la dirección axial más de 20 s.

Como puede verse en el gráfico, para las frecuencias de aleteo relativamente altas, se puede obtener inicialmente una rápida aceleración. Después de varios ciclos de movimiento ondulante, el estado cuasi-estacionario parece haber sido alcanzado, y la amplitud de las oscilaciones en el estado estacionario representa una desviación de ± 8%.

Resultados de la simulación y

Homologaciones

(b), se puede observar que todos los peces con aletas impares por consiguiente, llegar a la más alta velocidad de natación manera firme con respecto a los otros dos casos y peces sin aletas dorsales o anal alcanzar la velocidad mínima que los otros dos casos

MÉTODOS Y RESULTADOS

En primer lugar, presentamos los fundamentos de control PID . Los

controladores PID convencionales se aplican al control de pez robot. Cabe

señalar que, en los estudios anteriores, la variable de control es por lo

general la frecuencia f aleteo con la θmax ángulo de inclinación fijo.

. El controlador PID convencional en su forma discreta puede ser

caracterizado por

donde k denota un instante de tiempo discreto y Df (k) indica la desviación de frecuencia de salida en un determinado instante. kp, ki y kd se definen como ganancias proporcional, integral y derivativo. e (k) y Delta E (k) son los términos de error de velocidad en un cierto instante de tiempo,

Un valor positivo de e (k) significa que el pez robot debe acelerar a una

velocidad deseada en el instante k, mientras que un valor negativo de e

(k) significa que el pez necesita para desacelerar. La frecuencia de

aleteo de un pez robótico en cierto instante k es

f (k) = Df (k) + f (k - 1). (32)

la cinemática del robot pez se pueden determinar, y con la aplicación de la ecuación de Newton , el pez robot se acelerará gradualmente a la velocidad deseada

Diseño del Controlador Piscina eficiente

En el debate sobre los patrones de natación óptimos , hemos sugerido

que la natación eficiente de pez robot no depende únicamente de St,

pero el ángulo de ataque αmax debe controlarse activamente en

asociación con el cambio de St(cantidad de datos experimentales)

A partir de nuestros estudios sobre las criaturas naturales, se hapropuesto un método de control de la novela que se puede controlar

de forma activa el número Strouhal St y el ángulo de la aleta caudal de

ataque αmax

Controlador Fundamentos Estructura:

1) Como puede verse en la figura. 10, la estructura básica del sistema de

control consiste en el bloque controlador difuso, bloque controlador de

experto, y el pescado bloque dinámica de natación.

seleccionar el αmax adecuado asociado con el St. La dinámica de natación

de peces será el resultado de los parámetros adimensionales de entrada, es

decir, St y αmax; por lo tanto, se obtiene robótico velocidad de natación de

pescado.

Diseño del controlador difuso: El controlador de lógica difusa puede ser visto como un

tomador de decisiones artificial, que opera en el control de velocidad en bucle

cerrado de los peces robótico,

El siguiente paso en el controlador difuso es para especificar las reglas difusas que pueden ser representados y almacenados por la matriz de memoria asociativa difusa (FAM)

Resultados de la simulación

Los resultados de la simulación de tanto la velocidad de respuesta y el rendimiento del empuje usando la opción-bucle abierto, PID y

controladores difusos se evalúan y se comparan

La amplitud adimensional h se fijó a 0,1 para todos los tres métodos, y los parámetros para el regulador PID son kp = 0,2, Ki = 0,01, y kd = 5. La frecuencia de aleteo puede ser controlado a través de (31) y (33). La aleta caudal pendiente ángulo θmax se fija en 25 ◦, tanto para el PID y controladores de lazo abierto

RESULTADOS

En este trabajo se ha propuesto un modelo dinámico de un pez robótico carangiform,

que trata a la fuerza del cuerpo ondulante aleta caudal y de forma independiente.

Los resultados de la velocidad de la simulación son validados mediante la

comparación con los resultados experimentales.

Esta es también la razón más importante por la que el método de control difuso, que se

aplicó con éxito a este mecanismo principal, ofrece un mejor rendimiento en natación y una mayor eficiencia de empuje que el convencional y controladores PID de lazo

abierto

Conclusiones:

Autor:Una gran cantidad de trabajo que queda por hacer, en particular en el desarrollo de sistemas inteligentes de control , para la estabilidad de pez robot en el flujo perturbado. Esta es una de nuestras prioridades de investigación futuras

vemos que través del método difuso presente es controlada dentro deun cierto rango, por lo tanto, se puede especular que el pez robot tienecaracterísticas similares a la natación criaturas naturales

Personales: Existen varios métodos para el control de un pez robótico, pero el

mas usado es el control difuso.

Con el conocimiento de la termodinámica, se ha determinado uncontrol difuso con características de mayor eficiencia en lavelocidad de desplazamiento del pez robot.

Usando este modelo, se encontró que el control de armónicos y elángulo de la aleta caudal de ataque es el mecanismo principalmediante el cual el pescado robótico puede obtener una altaeficiencia de empuje para la natación.

El método de control difuso, que se basa en el conocimiento delcomportamiento dinámico del pez robótico.

Las técnicas analíticas y métodos de lógica difusa se aplican a lamodelización dinámica y eficiente de control de natación de un pezrobótico.

El pez robot bioinspirado, que sigue una réplicaexacta de un vivo, mediante el modelado, trata deinterpretar el cuerpo ondulante y la cola del pez deforma independiente utilizando métodos analíticos.

Al comparar el rendimiento de empuje del pezrobot con diferentes métodos de control a través dela simulación, se ha establecido que el controladordifuso ha sido capaz de lograr una aceleración másrápida y un error de estado estacionario menor quelo que podría lograrse a partir de un circuito abiertoconvencional y proporcional-integral-controladorderivativo

Propuesta:

Este proyecto es propuesto para las investigaciones de animales

acuáticos el mismo que podría permitir el monitoreo mas eficiente

detallado del comportamiento de cada una de la especies que

directa}mente va a ser investigada así mismo favoreciendo las

probabilidades de alcanzar éxito en investigaciones se trata demejorar el pez robotico para alcanzar la perfección en su nado en

la velocidad de nado y aceleración del mismo.