高机动仿生机器鱼设计与控制技术

　　本书围绕仿生机器鱼的高机动运动，结合仿生技术和智能控制方法，对仿生机器鱼的研制过程和机动控制进行了系统阐述，主要包括六方面内容：仿生鱼体波及鱼体形态学设计、机器鱼二维高机动精准控制、基于仿生CPG的机器鱼运动控制、机器鱼的三维机动转向控制、机器海豚俯仰及滚翻控制、机器海豚跃水运动控制。本书的每一章对所用机器鱼及机器海豚的平台研制、算法实现及实验验证均进行了详细介绍。各部分的内容既相互联系又相互独立，读者可根据自己的需要选择学习。本书内容全面、系统、新颖、实用，不仅适用于普通高等院校信息科学、自动化、机电工程及相关专业的研究生、本科生及专科生的机器人学习课程，也可作为广大致力于机器人研究的科研人员和技术工作者了解水下仿生机器人基础知识及关键技术的参考资料和辅助读物。

　　喻俊志，中国科学院自动化所研究员，博士生导师。国家杰出青年基金获得者，IEEE高级会员，洪堡学者，担任多个国际期刊包括IEEE Transactions on Robotics、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics的编委。主要研究方向为智能机器人、机电一体化、计算智能等。先后主持国家和省部级以及应用科研项目20余项，包括国家自然科学基金重点项目、863项目等。在机器人与自动化领域国际知名SCI期刊上发表论文70余篇，包括IEEE汇刊论文35篇，9次获IEEE ROBIO、IEEE-CYBER等会议佳论文奖。获得授权发明专利22项、软件著作权12项、制定地方标准1项，部分成果已在水质监测和水中机器人大赛上得到应用，部分成果已实现产业化。获北京市科学技术一等奖（排名第二）、北京市科技新星、中国自动化学会青年科学家奖等。谭民，中国科学院自动化所研究员，博士生导师。国家杰出青年基金获得者，国家基金委创新研究群体负责人，国务院学位委员会第七届学科评议组成员，新世纪百千万人才工程国jia级人选，中国科学院“百人计划”入选者。曾担任国家“十五”863计划机器人技术主题专家组成员，国家“十一五”863计划先进制造领域专家组成员。近年来在先进机器人控制、仿生机器人、多机器人协调与控制等方面开展研究与开发工作，负责和参加国家863计划项目、973项目、自然科学基金项目等20余项。发表SCI收录论文100余篇，获授权国家发明专利50余项。担任多个学术期刊的编委和多个专业委员会的委员。王硕，中国科学院自动化研究所研究员，博士生导师，国际标准化组织ISO/TC 299专家，中国机电一体化技术应用协会第六届理事会常务理事，中国人工智能学会智能机器人专业委员会委员，中国宇航学会机器人专业委员会委员。主要从事水下仿生机器人、智能机器人控制、多机器人系统研究。主持和参加973项目、国家安全重大基础研究项目、自然科学基金重点和面上项目、国家863计划项目、支撑计划项目、国际合作项目等20余项。合著图书3本，发表SCI/EI学术论文70余篇，获授权国家发明专利20项，软件著作权登记7项，主持制定机器人国家标准2项。

第1章绪论(1)
1.1引言(1)
1.2仿生机器人简介(3)
1.3水下仿生机器人简介(7)
1.3.1鱼类生物学基础(7)
1.3.2水下仿生机器人的主要研究内容(10)
1.3.3水下仿生机器人的技术难点(12)
1.4国内外研究现状(13)
1.4.1机器鱼的研究现状(13)
1.4.2机器海豚的研究现状(19)
本章参考文献(23)
第2章仿生鱼体波及鱼体形态学设计(27)
2.1引言(27)
2.2高效游动的必要条件(28)
2.3鱼体波设计(28)
2.4鱼体形态学设计(30)
2.4.1尾鳍及其对应鳍的生成(34)
2.4.2胸鳍与其对应鳍的生成(35)
2.4.3金枪鱼腹鳍的生成(35)
2.5鱼体波仿真(36)
2.6与Lighthill鱼体波的关系(40)
2.7应用与讨论(41)
2.8小结(42)
本章参考文献(42)
第3章机器鱼二维高机动精准控制(44)
3.1引言(44)
3.2C形起动的定义(45)
3.3C形起动各阶段的设计(45)
3.3.1弯曲阶段(46)
3.3.2保持阶段(49)
3.3.3伸展阶段(50)
3.3.4精准转弯控制策略(54)
3.4定向游动(55)
3.5实验(57)
3.5.1三关节小型机器鱼原地转向实验(59)
3.5.2四关节大型机器鱼C形起动实验(60)
3.5.3四关节中型机器鱼高速C形起动实验(64)
3.5.4四关节中型机器鱼S形起动与定向游动实验(68)
3.6讨论(70)
3.7小结(71)
本章参考文献(71)
第4章基于仿生CPG的机器鱼运动控制(73)
4.1引言(73)
4.2仿生CPG模型(74)
4.2.1Hopf振荡器的CPG模型(74)
4.2.2引入相位因子的CPG模型(74)
4.3基于Kane动力学模型的CPG参数优化(76)
4.3.1Kane动力学建模(76)
4.3.2CPG参数优化(81)
4.3.3仿真与实验(82)
4.4CPG振荡器相位差对游动性能的影响(85)
4.4.1游动性能指标(86)
4.4.2一致相位差下的性能分析(87)
4.4.3非一致相位差下的性能分析(88)
4.4.4讨论(90)
4.5机器鱼倒游机动运动控制(91)
4.5.1倒游机动运动控制(91)
4.5.2实验结果(94)
4.6机器鱼直游、倒游运动学分析(97)
4.7小结(100)
本章参考文献(101)
第5章机器鱼的三维机动转向控制(104)
5.1引言(104)
5.2机器鱼机构设计(105)
5.2.1偏航头部设计(106)
5.2.2多自由度胸鳍机构设计(106)
5.2.3多关节鱼体及尾鳍设计(107)
5.3基于CPG的多模态运动控制(108)
5.3.1CPG网络拓扑结构(108)
5.3.2多模态运动控制(109)
5.4机器鱼S形起动运动控制(111)
5.4.1北美狗鱼S形起动分析(111)
5.4.2弯曲阶段设计(113)
5.4.3伸展阶段设计(115)
5.4.4实验与分析(119)
5.5机器鱼三维机动运动控制(123)
5.5.1偏航机动(123)
5.5.2俯仰机动(124)
5.5.3横滚机动(126)
5.6小结(127)
本章参考文献(128)
第6章机器海豚俯仰及滚翻控制 (130)
6.1引言(130)
6.2海豚推进机构(131)
6.3俯仰控制(132)
6.4前滚翻控制(133)
6.4.1前滚翻实验(133)
6.4.2前滚翻模型(135)
6.5后滚翻控制(138)
6.5.1后滚翻实验(138)
6.5.2后滚翻模型(140)
6.6复合滚翻运动(140)
6.7讨论(142)
6.8小结(142)
本章参考文献(143)
第7章机器海豚跃水运动控制(145)
7.1引言(145)
7.2海豚跃水建模与分析(146)
7.2.1生物学特性(146)
7.2.2三阶段跃水模型(147)
7.2.3尾关节功率估算(153)
7.3机器海豚机构设计(156)
7.3.1总体设计(156)
7.3.2颈关节及头部设计(160)
7.3.3腰关节及躯干设计(161)
7.3.4尾关节及尾柄设计(161)
7.3.5胸鳍设计(162)
7.3.6背鳍设计(163)
7.3.7尾鳍设计(163)
7.3.8平衡块设计(163)
7.4攻角控制算法(164)
7.4.1攻角变化规律(165)
7.4.2关节角计算(167)
7.4.3快速游动反馈控制策略(169)
7.5转向及定向控制策略(169)
7.6跃水控制(171)
7.6.1俯仰控制方法(172)
7.6.2横滚控制方法(172)
7.6.3偏航控制方法(172)
7.6.4深度控制方法(175)
7.6.5跃水控制方法(176)
7.7实验与讨论(178)
7.7.1游速测试与分析(178)
7.7.2跃水测试与分析(180)
7.7.3讨论(186)
7.8小结(187)
本章参考文献(187)
第8章总结与展望(190)
8.1仿生机器鱼的特征和优势(190)
8.2仿生机器鱼的重点发展方向(193)