内容简介

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)

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