1. ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
Departamento 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

2. 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

3. Introducción:
 En este paper, las técnicas analíticas y métodos de lógica difusa
se ​​aplican a la modelización dinámica y eficiente de control de
natación de un pez robótico. El pez robot bioinspirado, que sigue una
réplica exacta de un vivo, mediante el modelado trata de interpretar el
cuerpo ondulante y la cola del pez de forma independiente utilizando
métodos analíticos.
 La comparación de los resultados de las simulaciones y experimentos
muestra la viabilidad de la dinámica del modelo. Usando este modelo,
se encontró que el control de armónicos y el ángulo de la aleta caudal
de ataque es un mecanismo principal mediante el cual el pescado
robótico puede obtener una alta eficiencia de empuje para la
natación.
 El método de control difuso, que se basa en el conocimiento del
comportamiento dinámico del pez robótico. Al comparar el rendimiento
de empuje del pez robot con diferentes métodos de control a través de
la simulación, se ha establecido que el controlador difuso ha sido capaz
de lograr una aceleración más rápida y un error de estado estacionario
menor que lo que podría lograrse a partir de un circuito abierto
convencional y proporcional-integral-controlador derivativo.

4.  Mediante la ingeniería biónica, el
rendimiento alto empuje de los peces
se ha utilizado para compensar los
defectos de los vehículos tradicionales
bajo el agua, en particular la baja
eficiencia.
 La presente investigación tiene como
objetivo investigar cómo el pez robot
biomimético puede nadar en el agua
de manera eficiente.
 Gracias a las investigaciones previas y las contribuciones
actuales, los modelos se pueden clasificar en dos categorías:
modelos dinámicos y método de control para el pez robot.


5. Modelo Dinámico
 En los estudios convencionales de pez robot, el cuerpo y la cola son
tratados juntos como una sola curva ondulante móvil. Sin embargo,
resultados de la observación han demostrado que la aleta caudal de
peces se somete a diferentes ángulos de pendiente y se mueve
independientemente de las ondulaciones del cuerpo.
 Teniendo en cuenta el enfoque analítico para el modelado dinámico
del empuje cuerpo ondulante, la teoría alargada de cuerpo de gran
amplitud (LAEBT) se utiliza para proporcionar un modelo dinámico para
un número de movimientos planos.
 La dinámica de natación se calculan mediante el tratamiento de la
fuerza de empuje del cuerpo y la aleta caudal separado.
 Para validar la viabilidad del modelo dinámico, se han producido los
experimentos sistemáticos para las pruebas de rendimiento dinámico
que sólo pueden llevarse a cabo mediante un modelo de laboratorio
que permite observar los patrones de movimiento específicos y ciertas
mediciones cuantitativa.

6. 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 central
de 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 de
control 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.

7. Diseño de pez robótico y dispositivos
experimentales
 En la figura1 muestra una serie de secciones
transversales del cuerpo de un pez robótico, en tres
dimensiones. El nadador tiene dos aletas dorsales y dos
aletas pélvicas, que están situados por detrás del centro
de masa. La sección se divide en cuatro regiones:
1) las correas mecánicas y ruedas con cojinetes que
desempeñan el papel de los peces "columna vertebral",
2) espumas y otros materiales flexibles desempeñar el
papel de "músculos";
3) sílice que imita el "piel ",
4) las aletas impares.

8. Figura 1. "Anatomía" de un pez robótico, donde se
muestran imágenes de las vistas en sección
transversal.

9.  El modelo longitud total de 0,59 m y se compone de un cuerpo
principal aerodinámico capaz de flexión y una aleta caudal rígida.
 Una piel exterior resistente al agua se utiliza para envolver todo el
esqueleto mecánico multienlace para producir una forma lisa, que
es capaz de ondulación en forma de pez con una curva de ajuste
de forma, como puede verse en la figura. 2
 En la figura 2. (a) ase muestra os dispositivos de accionamiento de
las rotaciones relativas de los enlaces robóticas y la curva de ajuste
real.
 En la figura 2. (b) vista esquemática de la caballa robótico y su
aplicación en el interior.
 Cada enlace mecánico es capaz de girar con respecto a sus
vecinos a través de enlaces de activación de cuatro servomotores.
Como se muestra en la figura. 2 (c), una correa transmite el
movimiento a los enlaces individuales con las fuerzas de fricción
mínimas

10.  La figura 2 (d) muestra los componentes mecánicos del
aparato de ensayo, donde los peces robótico y sus
componentes asociados son fijados en un transductor de
fuerza de componentes múltiples que se sujeta al carro
de remolque. La fuerza externa de los peces robótico se
mide usando un transductor de fuerza piezoeléctrico
que se monta verticalmente por encima de los peces.
 La unidad de control y fuente de alimentación para el
pez robot y el sistema láser y la cámara utilizada para la
visualización de flujo están todos montados en un
descanso del carro accionado por correa en los carriles
que van en la dirección de remolque (dirección x). El
depósito de agua, que es 7,8 m × 1,2 m x 1,1 m, ofrece el
modelo robótico con el espacio suficiente para mover
sin ser afectado por los límites de cada lado.

11. Figura 2. Diseño de pez robótico y dispositivos
experimentales

12. 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.

13. Cinemática del Modelado del Cuerpo y
de la aleta caudal
 El método LAEBT se puede utilizar para evaluar la fuerza de empuje
del cuerpo inducida de un pez mediante la eliminación de la aleta
caudal.
 La cinemática del cuerpo de los peces descritos tiene un movimiento
en función del tiempo predeterminado, con el aumento de la
amplitud 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 un
sistema 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 específico
para la envolvente de amplitud de todo el cuerpo de los peces.

14. 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 aleta
caudal, ψ fase

15. 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:

16. 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.

17. 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

18.  La expresión de la fuerza de sustentación
hidrodinámica toma la siguiente forma:

19. 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

20. 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%.

21. 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

22. 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,

23.  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

24. 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 ha
propuesto 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

25. 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.

26.  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)

27. 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

28. 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

29. 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 de
un cierto rango, por lo tanto, se puede especular que el pez robot tiene
características similares a la natación criaturas naturales

30. 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 un
control difuso con características de mayor eficiencia en la
velocidad de desplazamiento del pez robot.
 Usando este modelo, se encontró que el control de armónicos y el
ángulo de la aleta caudal de ataque es el mecanismo principal
mediante el cual el pescado robótico puede obtener una alta
eficiencia de empuje para la natación.
 El método de control difuso, que se basa en el conocimiento del
comportamiento dinámico del pez robótico.
 Las técnicas analíticas y métodos de lógica difusa se ​​aplican a la
modelización dinámica y eficiente de control de natación de un pez
robótico.

31.  El pez robot bioinspirado, que sigue una réplica
exacta de un vivo, mediante el modelado, trata de
interpretar el cuerpo ondulante y la cola del pez de
forma independiente utilizando métodos analíticos.
 Al comparar el rendimiento de empuje del pez
robot con diferentes métodos de control a través de
la simulación, se ha establecido que el controlador
difuso ha sido capaz de lograr una aceleración más
rápida y un error de estado estacionario menor que
lo que podría lograrse a partir de un circuito abierto
convencional y proporcional-integral-controlador
derivativo

32. 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 de
mejorar el pez robotico para alcanzar la perfección en su nado en
la velocidad de nado y aceleración del mismo.