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本书从仿生机器鱼的运动控制关键技术——基于生物运动控制方法来控制机器鱼的角度，深入阐述了仿生机器鱼设计、研制、运动建模、多模态运动控制、运动优化等内容，为水下仿生机器人运动控制提供理论依据与实现方法。本书首先阐述了仿生机器鱼运动控制的关键技术与研究方向；第2章从设计、研制样机的角度给出了具体的设计、硬件实现、软件开发的方法及过程；第3章阐述了仿生机器鱼运动建模，并对其进行了性能分析；第4章给出了仿生机器鱼多模态游动的CPG控制思路、方法和步骤；第5章从速度和能量等角度进行优化控制方法的阐述。全书紧紧围绕机器鱼游动的仿生控制，为读者提供了基于CPG的多模态控制的方法及思路。

目    录
第1章  绪论	（1）
1.1  引言	（1）
1.2  仿生机器鱼主要研究内容	（2）
1.3  仿生机器鱼的研究目的及意义	（3）
1.4  CPG及CPG控制方法	（4）
1.4.1  CPG及其特点	（4）
1.4.2  CPG控制方法	（5）
1.5  机器人CPG控制的国内外研究现状	（7）
1.5.1  CPG原理在机器人控制领域的应用	（7）
1.5.2  机器人CPG控制的国外研究现状	（7）
1.5.3  机器人CPG控制的国内研究现状	（10）
1.6  CPG数学模型	（13）
1.6.1  CPG模型简介	（13）
1.6.1  CPG生物学模型	（14）
1.6.3  递归振荡器模型	（16）
1.6.4  相位振荡器模型	（18）
1.6.5  CNN模型	（19）
1.6.6  Van der Pol神经元振荡器	（20）
1.6.7  环堆栈模型	（20）
1.7  CPG控制的系统实现及未来发展	（21）
1.7.1  CPG控制的系统实现	（21）
1.7.2  CPG控制的发展方向	（22）
本章参考文献	（24）
第2章  仿生机器鱼本体设计	（39）
2.1  引言	（39）
2.2  鱼类学基础	（40）
2.3  鱼类游动的物理模型及特征参数	（42）
2.4  鱼类游动的运动学模型及优化	（44）
2.4.1  鱼类运动学模型的简化	（45）
2.4.2  鱼体波曲线方程的改进	（48）
2.4.3  仿生机器鱼的设计参数优化	（48）
2.5  机器鱼设计中的几个水动力学问题	（50）
2.5.1  水动力学外形的设计	（50）
2.5.2  重心和浮心的平衡	（51）
2.5.3  驱动电机最大扭矩的估算	（51）
2.6  机器鱼运动学模型的数值仿真	（52）
2.7  仿生机器鱼的设计步骤	（55）
2.8  仿生机器鱼机构设计	（56）
2.8.1  偏航头部设计	（57）
2.8.2  多自由度胸鳍机构设计	（58）
2.8.3  多关节鱼体及尾鳍设计	（59）
本章参考文献	（59）
第3章  耦合CPG的机器鱼动力学建模	（61）
3.1  引言	（61）
3.2  仿生机器鱼动力建模	（62）
3.2.1  仿生机器鱼受力坐标系建立	（62）
3.2.2  仿生机器鱼受力分析	（64）
3.2.3  仿生机器鱼动力学建模	（66）
3.3  耦合CPG的仿生机器鱼动力学仿真	（69）
3.4  仿生游动控制实验	（75）
本章参考文献	（76）
第4章  仿生机器鱼运动CPG控制	（78）
4.1  仿生机器鱼CPG建模	（78）
4.1.1  神经元振荡器	（78）
4.1.2  仿生机器鱼CPG模型	（82）
4.1.3  CPG模型参数调节	（86）
4.2  仿生机器鱼CPG控制游动实验	（90）
4.2.1  仿生机器鱼样机研制	（90）
4.2.2  CPG控制游动实验	（92）
本章参考文献	（98）
第5章  CPG反馈控制与多模态运动	（100）
5.1  引言	（100）
5.2  CPG反馈控制方案设计	（101）
5.3  CPG反馈控制建模与分析	（102）
5.3.1  CPG内部耦合反馈信号建模	（102）
5.3.2  CPG输出部耦合反馈信号建模	（105）
5.3.3  高层感觉反馈控制建模	（107）
5.4  运动模态选择与切换控制	（110）
5.5  多模态运动实验：机器海豚游动实验	（112）
5.5.1  机器海豚设计与样机研制	（112）
5.5.2  机器海豚运动仿真	（113）
5.5.3  机器海豚多模态游动实验	（116）
5.6  多模态运动实验：两栖机器人实验	（120）
5.6.1  两栖机器人设计与样机研制	（120）
5.6.2  两栖机器人CPG控制建模	（122）
5.5.3  两栖机器人水陆切换实验	（127）
本章参考文献	（129）
第6章  仿生机器鱼CPG控制优化	（131）
6.1  基于CPG的倒游控制	（131）
6.1.1  倒游控制实现	（131）
6.1.2  两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法对比	（132）
6.2  CPG模型收敛速度优化	（138）
6.3  基于PSO的CPG控制优化	（141）
第7章  总结与展望	（148）
7.1  总结	（148）
7.1.1  仿生机器鱼本体设计与样机研制	（148）
7.1.2  仿生机器鱼动力学建模	（149）
7.1.3  仿生机器鱼CPG控制建模	（149）
7.1.4  CPG反馈控制与多模态运动	（150）
7.1.5  仿生机器鱼CPG控制优化	（150）
7.2  仿生机器鱼CPG控制展望	（151）
7.2.1  仿生机器鱼机械本体-CPG-环境系统的稳定性研究	（151）
7.2.2  在线学习与环境适应性研究	（151）
7.2.3  新材料、新结构与CPG控制	（152）
7.2.4  CPG控制的工程设计方法	（152）

前    言
基于中枢模式发生器（Central Pattern Generator，CPG）机制的机器人运动控制方法给仿生机器人，特别是仿生机器鱼的研究带来新的机遇和挑战。一些学者研制仿生机器鱼，旨在通过水下仿生研究，一方面探索鱼类的减阻机制和复杂运动的控制机理，另一方面研究集高效性、机动性、灵活性和隐形性于一体的新一代无人水下航行器本体设计与控制技术。本书从分析仿生机器鱼的游动机理入手，内容涵盖仿生机器鱼本体设计、样机研制、CPG控制方法、CPG神经元振荡器、CPG网络拓扑、仿生机器鱼动力学建模、链式仿生机器鱼CPG控制建模、CPG反馈控制、仿生机器鱼多模态运动控制、CPG控制优化等方面，为设计通用的机器人多模态CPG运动控制器奠定了一定的基础。
仿生机器鱼CPG控制是全书的主线，作者将CPG模型耦合到仿生机器鱼动力学模型中，探讨了CPG的参数变化对仿生机器鱼运动行为的影响；针对具有胸鳍的多关节仿生机器鱼，构建了最近相邻耦合的CPG模型来解决多模态运动控制问题；传感器信息为仿生机器鱼CPG运动控制提供环境信息，高级控制中枢下行命令的传递使仿生机器鱼获得更高的智能，基于有限状态机的模式切换控制方法将CPG的结构、拓扑、耦合类型、高层命令、反馈信号等耦合在一起，实现了频率、幅值和网络构型的自适应切换，提高了仿生机器鱼运动的适应性、机动性和高效性。在此基础上，以动力学模型得到的游动速度最大化为目标，采用粒子群优化算法对CPG模型中决定仿生机器鱼游动的频率、幅值及相位差等参数进行了优化，实现了仿生机器鱼的优化控制。
形成闭环控制是实现机器人自主控制的有效途径。本书着眼于闭环控制，侧重三个融合，即CPG与机械本体融合，动力学模型与CPG信号融合，环境信息与CPG模型融合。反馈信息的引入能使仿生机器鱼适应复杂的非结构化水域环境，同时能够实现仿生机器鱼多模态间的快速、平滑切换，增强仿生机器鱼游动的环境适应性。本书探讨的CPG反馈控制，为仿生机器鱼的自主游动、路径规划、最优策略制定等提供了理论与技术支撑。
本书由浅入深，兼具仿生机器鱼设计、研制、CPG理论、控制、优化等内容，写作上力求文字通俗易懂，通过对仿生机器鱼CPG控制的阐述为设计多模态仿生运动控制器提供新思路，同时为广大机器人技术爱好者提供理论与实践参考。本书的特点如下。
1．结构合理，内容全面、系统
本书以仿生机器鱼CPG控制为主线，内容涉及仿生机器鱼本体设计、设计步骤、样机研制、CPG控制方法、CPG神经元振荡器、CPG网络拓扑、仿生机器鱼动力学建模、仿生机器鱼链式弱耦合CPG控制建模、CPG反馈控制、仿生机器鱼多模态控制与模态切换、CPG控制优化，内容系统、结构合理，全面地阐释了仿生机器鱼CPG控制的主要内容。
2．理论与实践结合，与众不同
本书主要内容不仅有理论分析，而且有仿真和实验等内容，力求让读者掌握仿生机器鱼CPG控制的思维、方法与流程，进而更清晰地完成仿生机器人运动CPG控制系统的设计，从而避免枯燥地列出一系列公式，让读者自己去填补理论与实践的鸿沟。
3．由浅入深，学以致用
本书从零开始，介绍了仿生机器鱼的应用目的及意义，CPG及其特点，机器人CPG控制现状等方面的内容，接着开始仿生机器鱼本体设计，完成了仿生机器鱼动力学建模。在此基础上，全书由浅入深，从CPG神经元振荡器开始，到CPG网络构成，再到CPG反馈控制，最后到CPG优化，层层递进，辅以仿真和实验，让读者学以致用。
4．语言通俗，图文并茂
作为一本仿生机器人应用技术丛书，笔者采用浅显易懂的语言完成了专业知识的解说；为了能让读者更好地理解，笔者追求内容编写图文并茂，避免了枯燥乏味的大段文字，力求让读者能够通过图文更加形象地掌握仿生机器鱼的CPG控制相关的方法与知识。
全书共7章，具体内容介绍如下。第1章，主要综述了中枢模式发生器（Central Pattern Generator，CPG）控制方式、特点和模型，并阐述了仿生机器鱼研究的主要内容、研究目的及意义，在此基础上，论述了机器人CPG控制的发展状况，探讨了CPG控制的研究方向。
第2章，主要针对鱼类的形态和运动机理由浅入深地给出了进行仿生机器鱼设计与优化的方法和步骤。首先根据鱼类游动的特点，提取仿生机器鱼的形体参数和运动参数，建立了仿生机器鱼运动学模型。根据该模型，仿生机器鱼的运动被建模为多关节的摆动运动，其流线形的鱼体用一平面样条曲线表示，新月形的尾鳍用一摆动的水翼表示，其控制参数为与鱼体的外形和尺寸无关的关节摆动数组和摆动频率。其次，总结了仿生机器鱼的设计步骤，并根据实际元器件和实现方法的约束，对仿生机器鱼进行结构设计优化。最后，开发研制了多关节仿生机器狗鱼样机。
第3章，分析了仿生机器鱼在水中的受力情况，应用Lagrange方法建立了仿生机器鱼的动力学模型。在此基础上，针对具有左右胸鳍的多关节仿生机器鱼进行了动力学仿真研究。仿真时以CPG的输出驱动鱼体各部分进行运动，由此得到相关的游动结果。仿真结果表明通过改变CPG模型的相位耦合关系和输入激励的大小，能获得不同的运动模态，验证了所建仿生机器鱼动力学模型的有效性。动力学建模与仿真可以用来仿真身体和环境的物理特性，为它们提供了一个初步的近似，这对仿生机器鱼控制具有导向作用。
第4章，阐述了CPG神经元振荡器模型，多关节仿生机器鱼运动CPG控制建模，多模态游动分析及实验等方面内容，主要针对具有胸鳍推进机构的多关节仿生机器鱼，以一类振荡频率和幅值可以独立控制的非线性振荡器为基础，采用最近相邻关节耦合的方式构建了仿生机器鱼链式CPG模型，分析了其振荡功能单元平衡点的性态，证明了极限环的存在性、唯一性和稳定性，探讨了仿生机器鱼的链式CPG模型中各单元的耦合关系。利用该CPG模型实现了直游、倒游、胸鳍-身体尾鳍协调运动等多种游动模式。
第5章，探讨了CPG耦合传感器信号的机理，设计了在不同部位引入传感器信号的反馈控制方法。在此基础上，针对多关节带胸鳍的仿生机器鱼提出了基于有限状态机的运动模式切换控制方法，解决了仿生机器鱼复杂运动中CPG构型选择的问题。基于有限状态机的模式切换控制方法将CPG的结构、拓扑、耦合类型、输入信号、反馈信号等耦合在一起，实现了频率和构型的自适应控制，为仿生机器鱼自主游动控制奠定了基础。
第6章，综合仿生机器鱼游动机理，通过引入收敛速度调节因子来加快CPG模型的收敛速度，完成了一类频率、幅值、相位可单独调节的CPG控制模型的特性分析与运动融合。在对仿生机器鱼进行动力学分析的基础上，以动力学模型得到的游动速度最大化为目标，采用粒子群优化算法对CPG模型中决定仿生机器鱼游动的频率、幅值及相位差等参数进行了优化，最终获得了1.14倍体长/秒的最高游速。
第7章，对全书内容作了总结，并展望了仿生机器鱼的发展及CPG控制的未来研究方向。

作者   
2017年5月

工业/农业技术-电子/通信

无

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机器人运动控制：仿生机器鱼多模态运动CPG控制及优化