本書從仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)——基于生物運(yùn)動(dòng)控制方法來(lái)控制機(jī)器魚的角度，深入闡述了仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)、研制、運(yùn)動(dòng)建模、多模態(tài)運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)優(yōu)化等內(nèi)容，為水下仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)與實(shí)現(xiàn)方法。本書首先闡述了仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)與研究方向；第2章從設(shè)計(jì)、研制樣機(jī)的角度給出了具體的設(shè)計(jì)、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件開發(fā)的方法及過(guò)程；第3章闡述了仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)建模，并對(duì)其進(jìn)行了性能分析；第4章給出了仿生機(jī)器魚多模態(tài)游動(dòng)的CPG控制思路、方法和步驟；第5章從速度和能量等角度進(jìn)行優(yōu)化控制方法的闡述。全書緊緊圍繞機(jī)器魚游動(dòng)的仿生控制，為讀者提供了基于CPG的多模態(tài)控制的方法及思路。
基于中樞模式發(fā)生器（Central Pattern Generator，CPG）機(jī)制的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法給仿生機(jī)器人，特別是仿生機(jī)器魚的研究帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一些學(xué)者研制仿生機(jī)器魚，旨在通過(guò)水下仿生研究，一方面探索魚類的減阻機(jī)制和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)理，另一方面研究集高效性、機(jī)動(dòng)性、靈活性和隱形性于一體的新一代無(wú)人水下航行器本體設(shè)計(jì)與控制技術(shù)。本書從分析仿生機(jī)器魚的游動(dòng)機(jī)理入手，內(nèi)容涵蓋仿生機(jī)器魚本體設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制、CPG控制方法、CPG神經(jīng)元振蕩器、CPG網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒎律鷻C(jī)器魚動(dòng)力學(xué)建模、鏈?zhǔn)椒律鷻C(jī)器魚CPG控制建模、CPG反饋控制、仿生機(jī)器魚多模態(tài)運(yùn)動(dòng)控制、CPG控制優(yōu)化等方面，為設(shè)計(jì)通用的機(jī)器人多模態(tài)CPG運(yùn)動(dòng)控制器奠定了一定的基礎(chǔ)。
仿生機(jī)器魚CPG控制是全書的主線，作者將CPG模型耦合到仿生機(jī)器魚動(dòng)力學(xué)模型中，探討了CPG的參數(shù)變化對(duì)仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)行為的影響；針對(duì)具有胸鰭的多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚，構(gòu)建了最近相鄰耦合的CPG模型來(lái)解決多模態(tài)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題；傳感器信息為仿生機(jī)器魚CPG運(yùn)動(dòng)控制提供環(huán)境信息，高級(jí)控制中樞下行命令的傳遞使仿生機(jī)器魚獲得更高的智能，基于有限狀態(tài)機(jī)的模式切換控制方法將CPG的結(jié)構(gòu)、拓?fù)洹Ⅰ詈项愋汀⒏邔用睢⒎答佇盘?hào)等耦合在一起，實(shí)現(xiàn)了頻率、幅值和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的自適應(yīng)切換，提高了仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性、機(jī)動(dòng)性和高效性。在此基礎(chǔ)上，以動(dòng)力學(xué)模型得到的游動(dòng)速度最大化為目標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)CPG模型中決定仿生機(jī)器魚游動(dòng)的頻率、幅值及相位差等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器魚的優(yōu)化控制。
形成閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主控制的有效途徑。本書著眼于閉環(huán)控制，側(cè)重三個(gè)融合，即CPG與機(jī)械本體融合，動(dòng)力學(xué)模型與CPG信號(hào)融合，環(huán)境信息與CPG模型融合。反饋信息的引入能使仿生機(jī)器魚適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化水域環(huán)境，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)仿生機(jī)器魚多模態(tài)間的快速、平滑切換，增強(qiáng)仿生機(jī)器魚游動(dòng)的環(huán)境適應(yīng)性。本書探討的CPG反饋控制，為仿生機(jī)器魚的自主游動(dòng)、路徑規(guī)劃、最優(yōu)策略制定等提供了理論與技術(shù)支撐。
本書由淺入深，兼具仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)、研制、CPG理論、控制、優(yōu)化等內(nèi)容，寫作上力求文字通俗易懂，通過(guò)對(duì)仿生機(jī)器魚CPG控制的闡述為設(shè)計(jì)多模態(tài)仿生運(yùn)動(dòng)控制器提供新思路，同時(shí)為廣大機(jī)器人技術(shù)愛(ài)好者提供理論與實(shí)踐參考。本書的特點(diǎn)如下。
1．結(jié)構(gòu)合理，內(nèi)容全面、系統(tǒng)
本書以仿生機(jī)器魚CPG控制為主線，內(nèi)容涉及仿生機(jī)器魚本體設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)步驟、樣機(jī)研制、CPG控制方法、CPG神經(jīng)元振蕩器、CPG網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒎律鷻C(jī)器魚動(dòng)力學(xué)建模、仿生機(jī)器魚鏈?zhǔn)饺躐詈螩PG控制建模、CPG反饋控制、仿生機(jī)器魚多模態(tài)控制與模態(tài)切換、CPG控制優(yōu)化，內(nèi)容系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)合理，全面地闡釋了仿生機(jī)器魚CPG控制的主要內(nèi)容。
2．理論與實(shí)踐結(jié)合，與眾不同
本書主要內(nèi)容不僅有理論分析，而且有仿真和實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，力求讓讀者掌握仿生機(jī)器魚CPG控制的思維、方法與流程，進(jìn)而更清晰地完成仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)CPG控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而避免枯燥地列出一系列公式，讓讀者自己去填補(bǔ)理論與實(shí)踐的鴻溝。
3．由淺入深，學(xué)以致用
本書從零開始，介紹了仿生機(jī)器魚的應(yīng)用目的及意義，CPG及其特點(diǎn)，機(jī)器人CPG控制現(xiàn)狀等方面的內(nèi)容，接著開始仿生機(jī)器魚本體設(shè)計(jì)，完成了仿生機(jī)器魚動(dòng)力學(xué)建模。在此基礎(chǔ)上，全書由淺入深，從CPG神經(jīng)元振蕩器開始，到CPG網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，再到CPG反饋控制，最后到CPG優(yōu)化，層層遞進(jìn)，輔以仿真和實(shí)驗(yàn)，讓讀者學(xué)以致用。
4．語(yǔ)言通俗，圖文并茂
作為一本仿生機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)叢書，筆者采用淺顯易懂的語(yǔ)言完成了專業(yè)知識(shí)的解說(shuō)；為了能讓讀者更好地理解，筆者追求內(nèi)容編寫圖文并茂，避免了枯燥乏味的大段文字，力求讓讀者能夠通過(guò)圖文更加形象地掌握仿生機(jī)器魚的CPG控制相關(guān)的方法與知識(shí)。
全書共7章，具體內(nèi)容介紹如下。第1章，主要綜述了中樞模式發(fā)生器（Central Pattern Generator，CPG）控制方式、特點(diǎn)和模型，并闡述了仿生機(jī)器魚研究的主要內(nèi)容、研究目的及意義，在此基礎(chǔ)上，論述了機(jī)器人CPG控制的發(fā)展?fàn)顩r，探討了CPG控制的研究方向。
第2章，主要針對(duì)魚類的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理由淺入深地給出了進(jìn)行仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法和步驟。首先根據(jù)魚類游動(dòng)的特點(diǎn)，提取仿生機(jī)器魚的形體參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立了仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。根據(jù)該模型，仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)被建模為多關(guān)節(jié)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其流線形的魚體用一平面樣條曲線表示，新月形的尾鰭用一擺動(dòng)的水翼表示，其控制參數(shù)為與魚體的外形和尺寸無(wú)關(guān)的關(guān)節(jié)擺動(dòng)數(shù)組和擺動(dòng)頻率。其次，總結(jié)了仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)步驟，并根據(jù)實(shí)際元器件和實(shí)現(xiàn)方法的約束，對(duì)仿生機(jī)器魚進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。最后，開發(fā)研制了多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器狗魚樣機(jī)。
第3章，分析了仿生機(jī)器魚在水中的受力情況，應(yīng)用Lagrange方法建立了仿生機(jī)器魚的動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)具有左右胸鰭的多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真研究。仿真時(shí)以CPG的輸出驅(qū)動(dòng)魚體各部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由此得到相關(guān)的游動(dòng)結(jié)果。仿真結(jié)果表明通過(guò)改變CPG模型的相位耦合關(guān)系和輸入激勵(lì)的大小，能獲得不同的運(yùn)動(dòng)模態(tài)，驗(yàn)證了所建仿生機(jī)器魚動(dòng)力學(xué)模型的有效性。動(dòng)力學(xué)建模與仿真可以用來(lái)仿真身體和環(huán)境的物理特性，為它們提供了一個(gè)初步的近似，這對(duì)仿生機(jī)器魚控制具有導(dǎo)向作用。
第4章，闡述了CPG神經(jīng)元振蕩器模型，多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)CPG控制建模，多模態(tài)游動(dòng)分析及實(shí)驗(yàn)等方面內(nèi)容，主要針對(duì)具有胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)的多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚，以一類振蕩頻率和幅值可以獨(dú)立控制的非線性振蕩器為基礎(chǔ)，采用最近相鄰關(guān)節(jié)耦合的方式構(gòu)建了仿生機(jī)器魚鏈?zhǔn)紺PG模型，分析了其振蕩功能單元平衡點(diǎn)的性態(tài)，證明了極限環(huán)的存在性、唯一性和穩(wěn)定性，探討了仿生機(jī)器魚的鏈?zhǔn)紺PG模型中各單元的耦合關(guān)系。利用該CPG模型實(shí)現(xiàn)了直游、倒游、胸鰭-身體尾鰭協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)等多種游動(dòng)模式。
第5章，探討了CPG耦合傳感器信號(hào)的機(jī)理，設(shè)計(jì)了在不同部位引入傳感器信號(hào)的反饋控制方法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)多關(guān)節(jié)帶胸鰭的仿生機(jī)器魚提出了基于有限狀態(tài)機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式切換控制方法，解決了仿生機(jī)器魚復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中CPG構(gòu)型選擇的問(wèn)題。基于有限狀態(tài)機(jī)的模式切換控制方法將CPG的結(jié)構(gòu)、拓?fù)洹Ⅰ詈项愋汀⑤斎胄盘?hào)、反饋信號(hào)等耦合在一起，實(shí)現(xiàn)了頻率和構(gòu)型的自適應(yīng)控制，為仿生機(jī)器魚自主游動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ)。
第6章，綜合仿生機(jī)器魚游動(dòng)機(jī)理，通過(guò)引入收斂速度調(diào)節(jié)因子來(lái)加快CPG模型的收斂速度，完成了一類頻率、幅值、相位可單獨(dú)調(diào)節(jié)的CPG控制模型的特性分析與運(yùn)動(dòng)融合。在對(duì)仿生機(jī)器魚進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，以動(dòng)力學(xué)模型得到的游動(dòng)速度最大化為目標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)CPG模型中決定仿生機(jī)器魚游動(dòng)的頻率、幅值及相位差等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終獲得了1.14倍體長(zhǎng)/秒的最高游速。
第7章，對(duì)全書內(nèi)容作了總結(jié)，并展望了仿生機(jī)器魚的發(fā)展及CPG控制的未來(lái)研究方向。
作者
2017年5月
第1章 緒論 （1）
1.1 引言 （1）
1.2 仿生機(jī)器魚主要研究?jī)?nèi)容 （2）
1.3 仿生機(jī)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(diǎn) （4）
1.4.2 CPG控制方法 （5）
1.5 機(jī)器人CPG控制的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 （7）
1.5.1 CPG原理在機(jī)器人控制領(lǐng)域的應(yīng)用 （7）
1.5.2 機(jī)器人CPG控制的國(guó)外研究現(xiàn)狀 （7）
1.5.3 機(jī)器人CPG控制的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 （10）
1.6 CPG數(shù)學(xué)模型 （13）
1.6.1 CPG模型簡(jiǎn)介 （13）
1.6.1 CPG生物學(xué)模型 （14）
1.6.3 遞歸振蕩器模型 （16）
1.6.4 相位振蕩器模型 （18）
1.6.5 CNN模型 （19）
1.6.6 Van der Pol神經(jīng)元振蕩器 （20）
1.6.7 環(huán)堆棧模型 （20）
1.7 CPG控制的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及未來(lái)發(fā)展 （21）
1.7.1 CPG控制的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) （21）
1.7.2 CPG控制的發(fā)展方向 （22）
本章參考文獻(xiàn) （24）
第2章 仿生機(jī)器魚本體設(shè)計(jì) （39）
2.1 引言 （39）
2.2 魚類學(xué)基礎(chǔ) （40）
2.3 魚類游動(dòng)的物理模型及特征參數(shù) （42）
2.4 魚類游動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及優(yōu)化 （44）
2.4.1 魚類運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的簡(jiǎn)化 （45）
2.4.2 魚體波曲線方程的改進(jìn) （48）
2.4.3 仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化 （48）
2.5 機(jī)器魚設(shè)計(jì)中的幾個(gè)水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 （50）
2.5.1 水動(dòng)力學(xué)外形的設(shè)計(jì) （50）
2.5.2 重心和浮心的平衡 （51）
2.5.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩的估算 （51）
2.6 機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的數(shù)值仿真 （52）
2.7 仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)步驟 （55）
2.8 仿生機(jī)器魚機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （56）
2.8.1 偏航頭部設(shè)計(jì) （57）
2.8.2 多自由度胸鰭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （58）
2.8.3 多關(guān)節(jié)魚體及尾鰭設(shè)計(jì) （59）
本章參考文獻(xiàn) （59）
第3章 耦合CPG的機(jī)器魚動(dòng)力學(xué)建模 （61）
3.1 引言 （61）
3.2 仿生機(jī)器魚動(dòng)力建模 （62）
3.2.1 仿生機(jī)器魚受力坐標(biāo)系建立 （62）
3.2.2 仿生機(jī)器魚受力分析 （64）
3.2.3 仿生機(jī)器魚動(dòng)力學(xué)建模 （66）
3.3 耦合CPG的仿生機(jī)器魚動(dòng)力學(xué)仿真 （69）
3.4 仿生游動(dòng)控制實(shí)驗(yàn) （75）
本章參考文獻(xiàn) （76）
第4章 仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)CPG控制 （78）
4.1 仿生機(jī)器魚CPG建模 （78）
4.1.1 神經(jīng)元振蕩器 （78）
4.1.2 仿生機(jī)器魚CPG模型 （82）
4.1.3 CPG模型參數(shù)調(diào)節(jié) （86）
4.2 仿生機(jī)器魚CPG控制游動(dòng)實(shí)驗(yàn) （90）
4.2.1 仿生機(jī)器魚樣機(jī)研制 （90）
4.2.2 CPG控制游動(dòng)實(shí)驗(yàn) （92）
本章參考文獻(xiàn) （98）
第5章 CPG反饋控制與多模態(tài)運(yùn)動(dòng) （100）
5.1 引言 （100）
5.2 CPG反饋控制方案設(shè)計(jì) （101）
5.3 CPG反饋控制建模與分析 （102）
5.3.1 CPG內(nèi)部耦合反饋信號(hào)建模 （102）
5.3.2 CPG輸出部耦合反饋信號(hào)建模 （105）
5.3.3 高層感覺(jué)反饋控制建模 （107）
5.4 運(yùn)動(dòng)模態(tài)選擇與切換控制 （110）
5.5 多模態(tài)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)：機(jī)器海豚游動(dòng)實(shí)驗(yàn) （112）
5.5.1 機(jī)器海豚設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制 （112）
5.5.2 機(jī)器海豚運(yùn)動(dòng)仿真 （113）
5.5.3 機(jī)器海豚多模態(tài)游動(dòng)實(shí)驗(yàn) （116）
5.6 多模態(tài)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)：兩棲機(jī)器人實(shí)驗(yàn) （120）
5.6.1 兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制 （120）
5.6.2 兩棲機(jī)器人CPG控制建模 （122）
5.5.3 兩棲機(jī)器人水陸切換實(shí)驗(yàn) （127）
本章參考文獻(xiàn) （129）
第6章 仿生機(jī)器魚CPG控制優(yōu)化 （131）
6.1 基于CPG的倒游控制 （131）
6.1.1 倒游控制實(shí)現(xiàn) （131）
6.1.2 兩類仿鲹科機(jī)器魚倒游運(yùn)動(dòng)控制方法對(duì)比 （132）
6.2 CPG模型收斂速度優(yōu)化 （138）
6.3 基于PSO的CPG控制優(yōu)化 （141）
第7章 總結(jié)與展望 （148）
7.1 總結(jié) （148）
7.1.1 仿生機(jī)器魚本體設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制 （148）
7.1.2 仿生機(jī)器魚動(dòng)力學(xué)建模 （149）
7.1.3 仿生機(jī)器魚CPG控制建模 （149）
7.1.4 CPG反饋控制與多模態(tài)運(yùn)動(dòng) （150）
7.1.5 仿生機(jī)器魚CPG控制優(yōu)化 （150）
7.2 仿生機(jī)器魚CPG控制展望 （151）
7.2.1 仿生機(jī)器魚機(jī)械本體-CPG-環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究 （151）
7.2.2 在線學(xué)習(xí)與環(huán)境適應(yīng)性研究 （151）
7.2.3 新材料、新結(jié)構(gòu)與CPG控制 （152）
7.2.4 CPG控制的工程設(shè)計(jì)方法 （152）
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