高機動仿生機器魚設計與控制技術

《高機動仿生機器魚設計與控制技術》是一部由喻俊志，譚民，王碩所編著的書籍，華中科技大學出版社出版發行。

出版信息

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•印刷時間：2017年12月15日

•開 本：16開

•紙 張：銅版紙

•包 裝：精裝

•是否套裝：否

•國際標準書號ISBN：9787568027588

•叢書名：智慧型製造與機器人理論及技術研究叢書

•所屬分類：圖書>計算機/網路>人工智慧

內容簡介

本書圍繞仿生機器魚的高機動運動，結合仿生技術和智慧型控制方法，對仿生機器魚的研製過程和機動控制進行了系統闡述，主要包括六方面內容：仿生魚體波及魚體形態學設計、機器魚二維高機動精準控制、基於仿生CPG的機器魚運動控制、機器魚的三維機動轉向控制、機器海豚俯仰及滾翻控制、機器海豚躍水運動控制。本書的每一章對所用機器魚及機器海豚的平台研製、算法實現及實驗驗證均進行了詳細介紹。各部分的內容既相互聯繫又相互獨立，讀者可根據自己的需要選擇學習。 本書內容全面、系統、新穎、實用，不僅適用於普通高等院校信息科學、自動化、機電工程及相關專業的研究生、本科生及專科生的機器人學習課程，也可作為廣大致力於機器人研究的科研人員和技術工作者了解水下仿生機器人基礎知識及關鍵技術的參考資料和輔助讀物。

作者簡介

喻俊志，中國科學院自動化所研究員，博士生導師。國家傑出青年基金獲得者，IEEE高級會員，洪堡學者，擔任多個國際期刊包括IEEE Transactions on Robotics、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics的編委。主要研究方向為智慧型機器人、機電一體化、計算智慧型等。先後主持國家和省部級以及套用科研項目20餘項，包括國家自然科學基金重點項目、863項目等。在機器人與自動化領域國際知名SCI期刊上發表論文70餘篇，包括IEEE彙刊論文35篇，9次獲IEEE ROBIO、IEEE-CYBER等會議佳論文獎。獲得授權發明專利22項、軟體著作權12項、制定地方標準1項，部分成果已在水質監測和水中機器人大賽上得到套用，部分成果已實現產業化。獲北京市科學技術一等獎（排名第二）、北京市科技新星、中國自動化學會青年科學家獎等。

譚民，中國科學院自動化所研究員，博士生導師。國家傑出青年基金獲得者，國家基金委創新研究群體負責人，國務院學位委員會第七屆學科評議組成員，新世紀百千萬人才工程國jia級人選，中國科學院“百人計畫”入選者。曾擔任國家“十五”863計畫機器人技術主題專家組成員，國家“十一五”863計畫先進制造領域專家組成員。近年來在先進機器人控制、仿生機器人、多機器人協調與控制等方面開展研究與開發工作，負責和參加國家863計畫項目、973項目、自然科學基金項目等20餘項。發表SCI收錄論文100餘篇，獲授權國家發明專利50餘項。擔任多個學術期刊的編委和多個專業委員會的委員。

王碩，中國科學院自動化研究所研究員，博士生導師，國際標準化組織ISO/TC 299專家，中國機電一體化技術套用協會第六屆理事會常務理事，中國人工智慧學會智慧型機器人專業委員會委員，中國宇航學會機器人專業委員會委員。主要從事水下仿生機器人、智慧型機器人控制、多機器人系統研究。主持和參加973項目、國家安全重大基礎研究項目、自然科學基金重點和面上項目、國家863計畫項目、支撐計畫項目、國際合作項目等20餘項。合著圖書3本，發表SCI/EI學術論文70餘篇，獲授權國家發明專利20項，軟體著作權登記7項，主持制定機器人國家標準2項。

目錄

第1章緒論(1)

1.1引言(1)

1.2仿生機器人簡介(3)

1.3水下仿生機器人簡介(7)

1.3.1魚類生物學基礎(7)

1.3.2水下仿生機器人的主要研究內容(10)

1.3.3水下仿生機器人的技術難點(12)

1.4國內外研究現狀(13)

1.4.1機器魚的研究現狀(13)

1.4.2機器海豚的研究現狀(19)

本章參考文獻(23)

第2章仿生魚體波及魚體形態學設計(27)

2.1引言(27)

2.2高效遊動的必要條件(28)

2.3魚體波設計(28)

2.4魚體形態學設計(30)

2.4.1尾鰭及其對應鰭的生成(34)

2.4.2胸鰭與其對應鰭的生成(35)

2.4.3鮪魚腹鰭的生成(35)

2.5魚體波仿真(36)

2.6與Lighthill魚體波的關係(40)

2.7套用與討論(41)

2.8小結(42)

本章參考文獻(42)

第3章機器魚二維高機動精準控制(44)

3.1引言(44)

3.2C形起動的定義(45)

3.3C形起動各階段的設計(45)

3.3.1彎曲階段(46)

3.3.2保持階段(49)

3.3.3伸展階段(50)

3.3.4精準轉彎控制策略(54)

3.4定向遊動(55)

3.5實驗(57)

3.5.1三關節小型機器魚原地轉向實驗(59)

3.5.2四關節大型機器魚C形起動實驗(60)

3.5.3四關節中型機器魚高速C形起動實驗(64)

3.5.4四關節中型機器魚S形起動與定向遊動實驗(68)

3.6討論(70)

3.7小結(71)

本章參考文獻(71)

第4章基於仿生CPG的機器魚運動控制(73)

4.1引言(73)

4.2仿生CPG模型(74)

4.2.1Hopf振盪器的CPG模型(74)

4.2.2引入相位因子的CPG模型(74)

4.3基於Kane動力學模型的CPG參數最佳化(76)

4.3.1Kane動力學建模(76)

4.3.2CPG參數最佳化(81)

4.3.3仿真與實驗(82)

4.4CPG振盪器相位差對遊動性能的影響(85)

4.4.1遊動性能指標(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討論(90)

4.5機器魚倒游機動運動控制(91)

4.5.1倒游機動運動控制(91)

4.5.2實驗結果(94)

4.6機器魚直游、倒游運動學分析(97)

4.7小結(100)

本章參考文獻(101)

第5章機器魚的三維機動轉向控制(104)

5.1引言(104)

5.2機器魚機構設計(105)

5.2.1偏航頭部設計(106)

5.2.2多自由度胸鰭機構設計(106)

5.2.3多關節魚體及尾鰭設計(107)

5.3基於CPG的多模態運動控制(108)

5.3.1CPG網路拓撲結構(108)

5.3.2多模態運動控制(109)

5.4機器魚S形起動運動控制(111)

5.4.1北美狗魚S形起動分析(111)

5.4.2彎曲階段設計(113)

5.4.3伸展階段設計(115)

5.4.4實驗與分析(119)

5.5機器魚三維機動運動控制(123)

5.5.1偏航機動(123)

5.5.2俯仰機動(124)

5.5.3橫滾機動(126)

5.6小結(127)

本章參考文獻(128)

第6章機器海豚俯仰及滾翻控制 (130)

6.1引言(130)

6.2海豚推進機構(131)

6.3俯仰控制(132)

6.4前滾翻控制(133)

6.4.1前滾翻實驗(133)

6.4.2前滾翻模型(135)

6.5後滾翻控制(138)

6.5.1後滾翻實驗(138)

6.5.2後滾翻模型(140)

6.6複合滾翻運動(140)

6.7討論(142)

6.8小結(142)

本章參考文獻(143)

第7章機器海豚躍水運動控制(145)

7.1引言(145)

7.2海豚躍水建模與分析(146)

7.2.1生物學特性(146)

7.2.2三階段躍水模型(147)

7.2.3尾關節功率估算(153)

7.3機器海豚機構設計(156)

7.3.1總體設計(156)

7.3.2頸關節及頭部設計(160)

7.3.3腰關節及軀幹設計(161)

7.3.4尾關節及尾柄設計(161)

7.3.5胸鰭設計(162)

7.3.6背鰭設計(163)

7.3.7尾鰭設計(163)

7.3.8平衡塊設計(163)

7.4攻角控制算法(164)

7.4.1攻角變化規律(165)

7.4.2關節角計算(167)

7.4.3快速遊動反饋控制策略(169)

7.5轉向及定向控制策略(169)

7.6躍水控制(171)

7.6.1俯仰控制方法(172)

7.6.2橫滾控制方法(172)

7.6.3偏航控制方法(172)

7.6.4深度控制方法(175)

7.6.5躍水控制方法(176)

7.7實驗與討論(178)

7.7.1游速測試與分析(178)

7.7.2躍水測試與分析(180)

7.7.3討論(186)

7.8小結(187)

本章參考文獻(187)

第8章總結與展望(190)

8.1仿生機器魚的特徵和優勢(190)

8.2仿生機器魚的重點發展方向(193)