IPMC驅動柔性機器魚速度控制系統

常龍飛, 李超群, 牛清正, 楊 倩, 胡小品, 何青松, 吳玉程,3,4

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IPMC驅動柔性機器魚速度控制系統

常龍飛1, 李超群1, 牛清正1, 楊 倩1, 胡小品1, 何青松2, 吳玉程1,3,4

(1. 合肥工業大學 工業與裝備技術研究院, 安徽 合肥, 230009; 2. 南京航空航天大學 江蘇省仿生功能材料重點實驗室, 江蘇 南京, 210016; 3. 合肥工業大學 材料學院, 安徽 合肥, 230009; 4. 合肥工業大學 先進功能材料與器件安徽省重點實驗室, 安徽 合肥, 230009)

柔性機器魚; 離子聚合物金屬復合材料; 閉環控制; 速度反饋

0 引言

機器人給人類的生產生活帶來了極大的便利。隨著科學技術的發展, 機器人的應用愈加廣泛。由于其工作環境日益復雜, 傳統剛性機器人受自身剛性機械結構的限制, 難以滿足一些特殊環境的工作(例如狹小空間、水下環境等)需求。而柔性機器人憑借對外部環境適應能力強、結構簡單等優勢成為機器人發展的重要方向之一[1-3]。柔性機器魚作為柔性機器人中的一類, 具有可觀的應用前景, 引起了國內外學者的爭相研究[4-5]。電致動聚合物(electroactive polymer, EAP)作為一種新型柔性智能材料, 為柔性機器魚的設計開發提供了重要技術基礎。特別是離子型EAP材料, 如離子聚合物金屬復合材料(ionic polymer-metal composite, IPMC)[6], 導電聚合物(conducting po- lymer, CP)[7], 巴基凝膠[8]和離子凝膠(ionic gels, IG)[9]等, 可在低電壓下(1~10 V)產生大的柔性變形, 柔韌性好, 且其內部為液固二相組合, 材料可適應液體環境工作, 因此在設計柔性水下機器人方向具有突出的優勢[10-11]。其中, 對于IPMC材料的研究最早也最為成熟。

目前, 國內外對IPMC驅動的柔性機器魚已有一定的研究基礎, 研究內容由IPMC致動器驅動特性[12]逐步深入到關于IPMC驅動器的理論分析[13-14]和IPMC驅動的水下柔性機器人[15]。Mojarrad等[16]率先開發出蝌蚪形狀單片矩形IPMC驅動的柔性機器魚, 隨后, Byungkyu[17]設計出結構與之類似外觀更為精美的機器魚, 總長為96 mm, 質量僅為16.2 g, 游動速度最快可達23.6 mm/s; Guo[18]、Ye[19]、Aureli[20]、Shen[21]等對柔性機器魚驅動器的結構進行了改變, 在矩形IPMC的末端連接一片魚尾鰭形狀的聚氯乙烯薄膜, 通過IPMC的彎曲帶動尾鰭狀薄膜推進機器魚游動; Guo[22]、蘇玉東[23]、Hubbard[24]等在柔性機器魚單獨尾部驅動器的基礎上在魚體兩側增加胸鰭驅動器, 實現了柔性機器魚的多方向游動。除此之外還有其他結構的柔性機器魚, 如仿鰩魚[25-26]、仿水母[27-28]、仿蛇形[29]等。上述基于IPMC的水下機器魚均沒有涉及到對機器魚的運動控制, 僅以預設的電壓信號驅動IPMC材料擺動, 從而使機器魚游動。其行進速度很難掌控, 在實際應用中有很大的局限性。Mojarrad[16]、Guo[30]等研發的柔性機器魚采取了簡單的開環控制, 可以實現一維線性游動。在此基礎上, Tan等[31]研發的自主仿生機器魚搭載了全球定位系統(global positioning system, GPS)、ZigBee等模塊, 可以實現機器魚的自主導航和游動以及與外界的信息通信, 功能較為完善。2013年, Shen等[32]結合IPMC尾部的流體動力學和驅動動力學對柔性機器魚進行物理建模分析, 并采用比例-積分-微分(proportion integration differentiation, PID)反饋控制方法調節驅動信號的幅值和頻率, 提高了機器魚的游動性能和IPMC驅動器的推進效率。這些少有的控制研究雖然實現了對機器魚的運動控制但是都依托于外部固定的實驗裝置或傳感儀器, 尚未實現機器魚的獨立運動反饋及控制。

在機器魚的實際應用中, 實現獨立的速度控制至關重要。然而到目前為止, 由于速度參數難以獲取, IPMC驅動器產生推力或變形位移與機器魚游速難以形成確定的對應關系, 基于IPMC的機器魚控制系統以及游動參數調控仍鮮有研究, 少數工作僅僅是基于理論仿真或者要利用外接儀器和傳感器[32-33]。Shen等[32]通過建模理論推導出機器魚游動速度和驅動信號幅值及頻率之間的關系, 并搭建反饋控制系統實時調節幅值和頻率, 從而使機器魚在運動中保持較高的游動效率, 但是由于機器魚的游動速度參數較難獲得, 所以控制系統并未對游動速度反饋調節。Rosly等[33]通過在機器魚機體上安裝慣性測量單元, 實現了對游動速度的閉環控制, 由于系統的微控制器體積較大, 所以控制系統并未完全集成于機器魚機體內, 還需要與固定于外部的微控制器連接, 文章驗證了閉環控制對速度調節的可行性, 但是并未實現機器魚整體的獨立運動。

PID控制器作為最早實用化的控制器已有近百年歷史, 現在仍然是最為經典和應用最廣泛的工業控制器。具有結構簡單、穩定性好、工作可靠、容易操作、使用中不需精確的系統模型等優點, 對于精確系統模型很難獲取的IPMC型機器魚的速度控制極為適合。基于此, 文中設計了一種PID反饋控制系統, 使用MPU6050陀螺儀實時計算機器魚的游動速度作為反饋參數, 通過改變驅動信號的頻率從而實現了控制機器魚按預設速度游動。研究成果將對該類柔性水下機器魚的控制提供重要的理論和實驗依據。

1 IPMC驅動機器魚結構

目前, IPMC驅動機器魚的推進方式主要有身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進模式、中央鰭/對鰭(median and/or paired fin, MPF)模式和混合鰭推進模式[34]。其中, BCF推進模式主要借助魚體波動或尾鰭擺動運動提供推進力, MPF推進模式以胸鰭或腹鰭力為推進力的主要來源, 混合鰭推進模式是以上兩者的綜合。綜合對比現有不同推進方式IPMC驅動的機器魚, BCF推進模式的機器魚[17-18, 22-24]能夠實現較高的游速, 且游動能力范圍分布較廣(0.016~0.526 BL/s), 而MPF推進模式的機器魚[25-26]游動能力相對較差, 但是具有較高的機動性和游動效率。由于IPMC材料自身特性的影響, 致使尾鰭加胸鰭式驅動結構較單尾鰭式驅動結構的控制系統復雜度大為提升。文中主要研究對機器魚游動速度的反饋控制, 故機器魚結構設計采用BCF推進模式, 使用單片尾鰭推進, 機器魚總長度15.4 cm, 其中魚體長8.4 cm, 寬4.9 cm, 總質量42.7 g。

1.1 IPMC驅動器

如前所述, IPMC是一種離子型EAP材料。在0.5~10 V電壓作用下, 其內部離子和溶劑會產生定向移向, 內部質量的不平衡分布會進而使其在宏觀上產生厘米級彎曲變形, 如圖1所示。作者在前期的實驗中發現, 對懸臂梁固定方式下的IPMC施加方波電壓信號在水環境中擺動時, IPMC擺動幅度隨著樣片寬度的增加而降低, 阻滯力隨著寬度的增加而增加; 當寬度過寬時, 矩形IPMC沿寬度方向也會產生彎曲變形, 從而削弱了沿長度方向的彎曲變形幅度。綜合考慮, 文中在設計IPMC驅動器時, 根據經驗, 材料尺寸取60 mm×7 mm, 尾部固定夾持長度為10 mm。

圖1 離子聚合物金屬復合材料功能特性

1.2 驅動器模型分析

圖2 IPMC懸臂梁模型

由文獻[32]可知, 柔性機器魚的IPMC尾部驅動器所產生的平均推進力為

為了確定閉環控制系統電壓驅動信號的具體參數, 設計了柔性機器魚模型, 將模型放于玻璃水箱中, 在水箱底部放置坐標紙, 并將攝像機置于水箱的正上方以測量模型的游動速度。具體測量裝置如圖3所示。

采用數字源表提供驅動電壓, 測試了不同電壓(2.5 V、3.3 V、4 V)、不同頻率下的游動速度, 如圖4所示。同一電壓下, 隨著頻率的增加游動速度先增大后減小, 同一頻率下, 游動速度隨著電壓的增大而增大(由于水解作用, 電壓存在上限, 通常不應高于4 V)。

圖3 機器魚速度測量裝置

Figure. 4 Swimming speed of a robotic fish at different voltages and frequencies

4 V電壓下機器魚的游動速度最快, 可達到15 mm/s, 但此時由于電解作用, IPMC驅動器表面有明顯的氣泡產生, 故閉環控制驅動信號電壓采用3.3 V, 為提高模型的準確性, 將3.3 V電壓下的頻率與速度關系增加為13個數據點。Chen[13]根據萊特希爾細長體推進理論與IPMC梁模型理論, 建立機器魚的物理模型, 利用該物理模型對實驗數據進行驗證, 確保實驗數據的準確性及實驗環境對機器魚游動速度的影響在誤差范圍內。

采用3次多項式模型

對3.3 V電壓下頻率-速度數據進行曲線擬合, 結果如圖5所示, 擬合度因子2為0.989 3, 與式(4)相比具有良好的準確性, 并驗證了上述3次多項式模型的可靠性。后文將采用該函數模型設計PID控制電路。

2 控制系統

2.1 PID反饋系統搭建

圖5 速度擬合曲線

圖6 閉環速度控制原理圖

現有關于IPMC驅動機器魚的控制研究中, 控制變量通常是與機體成固定角度安裝的IPMC驅動器的擺動頻率[32]。在文中的PID控制器中, 方波電壓幅值固定在3.3 V, 通過改變頻率來達到所需的速度。PID控制器的離散化表達為

根據式(5)、(6)和式(9)可以確定預設速度下所對應的頻率, 并通過對比預設速度與實際速度之間的差值來調節頻率,從而控制機器魚按照預設速度游動。

以圖5中的函數擬合模型為基礎, 在MATLAB軟件中搭建Simulink控制仿真模型, 如圖7所示。以正弦函數代表變化的預設速度作為模型輸入進行系統仿真, 對比輸出信號與輸入信號之間波形及相位之間的差別。

圖7 閉環速度控制Simulink模型

在MATLAB軟件中的PID TUNER窗口界面里調節Response Time和Transient Behavior 2個參數值, 從而獲得一個較好的PID單位階躍響應曲線; 在文中, 2個參數分別取為0.348 9和0.39, 與之對應的PID控制器參數為: 比例增益系數k=11.94、微分增益系數k=4.79、積分增益系數k=5.732。

在上述參數下, 系統仿真結果如圖8所示。圖8(a)為PID閉環控制系統階躍響應曲線, 當輸入速度信號為6 mm/s時, PID閉環控制系統超調量約為23.3%, 系統達到穩定時間較短, 約為0.5 s, 且穩定之后系統的穩態誤差較小。圖8(b)為模擬PID閉環控制系統的跟隨特性, 其中位于上側的波形為系統輸入信號, 代表預設游動速度1, 位于下側的波形為系統輸出信號, 代表實際游動速度2, 可以看出1和2在波形上具有很好的一致性,2較1在相位上約有0.3 s的延遲, 為系統正常響應時間。該模型能很好的滿足控制系統要求。

2.2 速度測量單元

文中選用MPU6050傳感器來測量機器魚的游動速度。MPU6050是一款6軸運動處理組件, 包括三軸陀螺儀和三軸加速度計。由于機器魚僅在水平面上游動, 并未涉及到下潛和上浮動作, 故只采用、兩軸的測量數據。MPU6050傳感器加速度計對機器魚游動時的加速度較為敏感, 而利用陀螺儀積分計算角度時不受游動加速度影響, 但隨著時間的增加, 積分漂移和溫度漂移帶來的誤差較大。故在計算角度時采用互補濾波的方法以彌補2個傳感器相互的不足, 即短時間內以陀螺儀采樣值計算出的角度為準, 定時以加速度計采樣值計算出的角度對陀螺儀得到的角度進行校準。加速度測量量程選用±2g, 此量程下傳感器靈敏度為16 384 LSB/g, 采樣頻率為125 Hz。在測量之前, 首先對陀螺儀進行校準, 排除系統自身對測量值的影響, 將陀螺儀敏感軸水平放置時的讀數取平均值作為陀螺儀的零點偏移值。三軸陀螺儀響應快, 由于溫度漂移和零點漂移導致低頻信號較差故采用高通濾波器濾除其低頻信號, 加速度計測量傾角時動態響應較慢, 故采用低通濾波抑制其高頻信號。將傳感器通過互補濾波處理過的有效數據進行求積分運算, 便可得到機器魚的實際運動速度和角度, 其具體計算方式為

圖8 比例-積分-微分(PID)閉環控制統仿真結果

2.3 控制電路

在上述實驗結果的基礎上設計控制電路, 印制電路板(printed circuit board, PCB)電路主要由穩壓模塊、微控制單元(microcontroller unit, MCU)模塊、驅動模塊、測速模塊、程序下載模塊和集成電路總線(inter-integrated circuit, IIC)模塊等組成, 具體如圖9所示, 其中圖9(a)為系統主控部分原理圖, 圖9(b)為控制系統PCB電路。采用2塊3.7 V鋰電池串聯供電, 經穩壓后分別供給MCU模塊(型號STC15F2K60S2)和驅動模塊(型號L9110); 測速模塊通過IIC總線協議與MCU通信, 驅動模塊輸出幅值3.3 V頻率可調的方波電壓信號, 由測試程序下載模塊將驅動程序燒錄到MCU中, 經測試該電路能很好的實現預設功能。

在硬件電路的基礎上根據上述實驗及仿真獲得的擬合多項式和PID控制器參數, 設計機器魚驅動程序, 控制程序采用C語言編寫, 由3個主要部分組成: 主程序、PID算法程序和傳感器采集程序。主程序主要對函數、參數、變量等進行定義, 以及系統的基本輸入輸出和延時程序等; PID算法程序是將PID反饋系統編寫為程序C代碼, 包含速度比較、頻率調節和微分積分等; 傳感器采集程序則是關于陀螺儀的參數配置、采集數據的濾波處理、調用和計算等。通過Keil編寫控制并使用STC-ISP軟件將編寫好的程序燒錄進MCU, 以備制作機器魚樣機時使用。

3 柔性機器魚原型及實驗

機器人殼體在solidworks軟件中設計完成后, 使用聚乳酸材料直接3D打印而成; 將PCB電路與IPMC驅動器安裝到3D打印的殼體上, 如圖10所示。驅動器與殼體連接處采用防水膠帶密封, 且殼體內部設計有防水隔板, 以防止機器魚在游動時水滲入到電子器件內。機器魚長15.4 cm, 其中魚體長8.4 cm, 寬4.9 cm, 總質量42.7 g。為了避免機器魚在運動時受到外力影響, 致使實驗結果不準確, 測量機器魚游動速度時采用攝像機拍攝視頻的方式, 通過對視頻的數據處理, 從而得到機器魚游動的速度, 進行實驗驗證。

圖10 柔性機器魚

圖11 機器魚游動速度測試結果

4 結束語

文中在機器魚游動模型的基礎上, 設計了針對IPMC驅動的機器魚PID閉環反饋控制系統, 選用MPU6050陀螺儀, 無需外接測試儀器, 可以實現機器魚獨立游動時的速度控制。以預設速度作為控制系統的輸入, 實際速度作為控制系統的輸出, 預設速度與實際速度之間的差值作為PID控制器的輸入, 通過調節驅動信號的頻率, 從而實現控制機器魚按照預設速度運動。利用MATLAB/Simulink對控制系統進行了仿真, 使用STC15單片機、MPU6050陀螺儀等電子器件制作了PCB電路, 設計制作了機器魚樣機并進行了實驗, 實驗結果表明: 在PID閉環反饋控制的調節下, 機器魚可以快速達到預設速度并且很好地按照預設速度游動。文中研究過程中機器魚采用單尾鰭驅動結構, 在游動過程中前進方向易受到干擾, 在后續工作中將研究胸鰭和尾鰭混合驅動下的速度控制、不同驅動信號波形對速度控制系統精度的影響等。

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Speed Control System of Soft Robotic Fish Actuated by IPMC

CHANG Long-fei1, 2, 3, LI Chao-qun1, NIU Qing-zheng1, YANG Qian1, HU Xiao-pin1, HE Qing-song2, WU Yu-cheng1, 3, 4

(1. Institute of Industry and Equipment Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Key Laboratory of Bionic Functional Materials in Jiangsu Province, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 4. Key Laboratory of Advanced Functional Materials and Devices of Anhui Province, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

soft robotic fish; ionic polymer-metal composite(IPMC); closed-loop control; feedback of speed

TP242; TB381

A

2096-3920(2019)02-0157-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.006

常龍飛, 李超群, 牛清正, 等. IPMC驅動柔性機器魚速度控制系統[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(2): 157-165.

2016-11-19;

2016-12-18.

國家自然科學基金(51605131); 安徽省自然科學基金青年項目(1608085QE100).

常龍飛(1988-), 女, 博士, 講師, 主要研究方向為智能材料與結構.

(責任編輯: 許 妍)