內容簡介
本書從仿生機器魚的運動控制關鍵技術——基於生物運動控制方法來控制機器魚的角度，深入闡述了仿生機器魚設計、研製、運動建模、多模態運動控制、運動最佳化等內容，為水下仿生機器人運動控制提供理論依據與實現方法。本書首先闡述了仿生機器魚運動控制的關鍵技術與研究方向；第2章從設計、研製樣機的角度給出了具體的設計、硬體實現、軟體開發的方法及過程；第3章闡述了仿生機器魚運動建模，並對其進行了性能分析；第4章給出了仿生機器魚多模態遊動的CPG控制思路、方法和步驟；第5章從速度和能量等角度進行最佳化控制方法的闡述。全書緊緊圍繞機器魚遊動的仿生控制，為讀者提供了基於CPG的多模態控制的方法及思路。
目錄
第1章 緒論 （1）
1.1 引言 （1）
1.2 仿生機器魚主要研究內容 （2）
1.3 仿生機器魚的研究目的及意義 （3）
1.4 CPG及CPG控制方法 （4）
1.4.1 CPG及其特點 （4）
1.4.2 CPG控制方法 （5）
1.5 機器人CPG控制的國內外研究現狀 （7）
1.5.1 CPG原理在機器人控制領域的套用 （7）
1.5.2 機器人CPG控制的國外研究現狀 （7）
1.5.3 機器人CPG控制的國內研究現狀 （10）
1.6 CPG數學模型 （13）
1.6.1 CPG模型簡介 （13）
1.6.1 CPG生物學模型 （14）
1.6.3 遞歸振盪器模型 （16）
1.6.4 相位振盪器模型 （18）
1.6.5 CNN模型 （19）
1.6.6 Van der Pol神經元振盪器 （20）
1.6.7 環堆疊模型 （20）
1.7 CPG控制的系統實現及未來發展 （21）
1.7.1 CPG控制的系統實現 （21）
1.7.2 CPG控制的發展方向 （22）
本章參考文獻 （24）
第2章 仿生機器魚本體設計 （39）
2.1 引言 （39）
2.2 魚類學基礎 （40）
2.3 魚類遊動的物理模型及特徵參數 （42）
2.4 魚類遊動的運動學模型及最佳化 （44）
2.4.1 魚類運動學模型的簡化 （45）
2.4.2 魚體波曲線方程的改進 （48）
2.4.3 仿生機器魚的設計參數最佳化 （48）
2.5 機器魚設計中的幾個水動力學問題 （50）
2.5.1 水動力學外形的設計 （50）
2.5.2 重心和浮心的平衡 （51）
2.5.3 驅動電機最大扭矩的估算 （51）
2.6 機器魚運動學模型的數值仿真 （52）
2.7 仿生機器魚的設計步驟 （55）
2.8 仿生機器魚機構設計 （56）
2.8.1 偏航頭部設計 （57）
2.8.2 多自由度胸鰭機構設計 （58）
2.8.3 多關節魚體及尾鰭設計 （59）
本章參考文獻 （59）
第3章 耦合CPG的機器魚動力學建模 （61）
3.1 引言 （61）
3.2 仿生機器魚動力建模 （62）
3.2.1 仿生機器魚受力坐標系建立 （62）
3.2.2 仿生機器魚受力分析 （64）
3.2.3 仿生機器魚動力學建模 （66）
3.3 耦合CPG的仿生機器魚動力學仿真 （69）
3.4 仿生遊動控制實驗 （75）
本章參考文獻 （76）
第4章 仿生機器魚運動CPG控制 （78）
4.1 仿生機器魚CPG建模 （78）
4.1.1 神經元振盪器 （78）
4.1.2 仿生機器魚CPG模型 （82）
4.1.3 CPG模型參數調節 （86）
4.2 仿生機器魚CPG控制遊動實驗 （90）
4.2.1 仿生機器魚樣機研製 （90）
4.2.2 CPG控制遊動實驗 （92）
本章參考文獻 （98）
第5章 CPG反饋控制與多模態運動 （100）
5.1 引言 （100）
5.2 CPG反饋控制方案設計 （101）
5.3 CPG反饋控制建模與分析 （102）
5.3.1 CPG內部耦合反饋信號建模 （102）
5.3.2 CPG輸出部耦合反饋信號建模 （105）
5.3.3 高層感覺反饋控制建模 （107）
5.4 運動模態選擇與切換控制 （110）
5.5 多模態運動實驗：機器海豚遊動實驗 （112）
5.5.1 機器海豚設計與樣機研製 （112）
5.5.2 機器海豚運動仿真 （113）
5.5.3 機器海豚多模態遊動實驗 （116）
5.6 多模態運動實驗：兩棲機器人實驗 （120）
5.6.1 兩棲機器人設計與樣機研製 （120）
5.6.2 兩棲機器人CPG控制建模 （122）
5.5.3 兩棲機器人水陸切換實驗 （127）
本章參考文獻 （129）
第6章 仿生機器魚CPG控制最佳化 （131）
6.1 基於CPG的倒游控制 （131）
6.1.1 倒游控制實現 （131）
6.1.2 兩類仿鰺科機器魚倒游運動控制方法對比 （132）
6.2 CPG模型收斂速度最佳化 （138）
6.3 基於PSO的CPG控制最佳化 （141）
第7章 總結與展望 （148）
7.1 總結 （148）
7.1.1 仿生機器魚本體設計與樣機研製 （148）
7.1.2 仿生機器魚動力學建模 （149）
7.1.3 仿生機器魚CPG控制建模 （149）
7.1.4 CPG反饋控制與多模態運動 （150）
7.1.5 仿生機器魚CPG控制最佳化 （150）
7.2 仿生機器魚CPG控制展望 （151）
7.2.1 仿生機器魚機械本體-CPG-環境系統的穩定性研究 （151）
7.2.2 線上學習與環境適應性研究 （151）
7.2.3 新材料、新結構與CPG控制 （152）
7.2.4 CPG控制的工程設計方法 （152）
