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| 編輯推薦： |
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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。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。
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| 內容簡介： |
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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。
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| 關於作者： |
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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、IEEEASME 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ISOTC 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SCIEI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。
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| 目錄：
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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
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| 內容試閱：
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海阔凭鱼跃，天高任鸟飞，大自然给人类带来了无限的梦想和启示。随着科技的蓬勃发展和经济、军事等领域应用需求的拉动，以学习自然、认识自然、模仿自然、超越自然为主旨的仿生学备受关注。通过研究、学习生物体的形态结构、功能及运动机理，提供人工系统新的设计思想和控制理念，不仅是提升人工系统性能的有效途径，也是仿生机器人研究的重要使命。 在水下仿生领域，针对鱼类和海豚等水生动物的仿生推进研究是当今的研究热点之一。亿万年的进化赋予鱼类及海豚高效、高速、高机动的游动技能，其性能远超目前各种人造水下航行器。生物学家和工程学者尝试从生物学、力学、机械学、人工智能等角度来探索鱼类及海豚的高性能水下推进机制，并希望借鉴到水下航行器的研制中，提高当前水下航行器的推进性能。20世纪90年代，美国麻省理工学院通过研制仿生金枪鱼来探究鱼类减阻机制与推进效率，拉开了机器鱼研究的序幕。世界各地的研究机构及大学纷纷加入到水下仿生推进的研究队伍中，并推动这个领域快速发展。特别是近十年，随着科技发展带来的技术革新，仿生机器鱼机器海豚的性能得到了有效提升。人们针对仿生机器鱼机器海豚的研究不再局限于简单的行为模仿，而是逐渐向感知-结构-材料-控制一体化方向发展。本书作者及其科研团队在国家自然科学基金项目（61375102, 61333016, 61421004, 61633020）、北京市自然科学基金项目（3141002, 4161002）等的大力支持下，在水下仿生推进领域，历经十余年的潜心耕耘，通过刻苦钻研、大胆创新、自主研发、广泛交流，取得了一批科研成果。本书是作者在总结水下高机动仿生推进理论和技术方面的研究成果及多年科研实践经验的基础上撰写而成的，其中部分内容是已经公开发表的学术论文，部分内容则是作者对水下仿生推进技术的深度思考和见解。 全书内容共分8章。第1章介绍了水下仿生机器人的基本概念及研究背景，并概括了仿生机器鱼的发展历程及国内外的研究现状。第2章详细论述了仿生鱼体波及鱼体形态学设计方法，给出了仿生机器鱼实现高效运动的两个必要条件。第3章主要研究鱼类的C形起动，给出了基于动态轨迹法的机器鱼二维高机动精准控制方法。第4章以鱼类倒游机动为研究重点，详细介绍了基于仿生中枢模式发生器（central pattern generator, CPG）的机器鱼运动控制。第5章重点研究了仿生机器鱼的三维机动转向控制，主要包括S形起动、大范围偏航、俯仰及横滚运动。第6章聚焦于机器海豚的机动运动，先后实现了机器海豚竖直面内的前后滚翻及组合运动。第7章主要研究海豚的跃水运动，给出了高性能机器海豚系统的设计方案及高速、高机动运动控制方法，并首次实现了机器海豚的跃水运动。第8章总结全文，归纳了高机动水下仿生机器鱼的特点，并展望了未来的发展趋势。本书主要由喻俊志、谭民、王硕撰写。科研团队的同事、博士生及硕士生参与了部分章节的资料整理工作，特别感谢吴正兴、苏宗帅、汪明、袁俊、刘金存、阳翔、陈星宇、庞磊等。同时，特别感谢国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家863计划项目、中国科学院项目的资助。此外，还要感谢那些参加了项目研究的团队人员、博士研究生和硕士研究生。由于作者水平有限，时间仓促，书中难免存在疏漏及不妥之处，敬请广大读者和专家不吝批评指正，对此我们表示衷心感谢。 作者
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