高機動仿生機器魚設計與控製技術 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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編輯推薦

適讀人群 ：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，科研人員和技術工作者
本書圍繞仿生機器魚的高機動運動，結閤仿生技術和智能控製方法，對仿生機器魚的研製過程和機動控製進行瞭係統闡述。本書的每一章對所用機器魚及機器海豚的平颱研製、算法實現及實驗驗證均進行瞭詳細介紹。各部分的內容既相互聯係又相互獨立，讀者可根據自己的需要選擇學習。

內容簡介

本書圍繞仿生機器魚的高機動運動，結閤仿生技術和智能控製方法，對仿生機器魚的研製過程和機動控製進行瞭係統闡述，主要包括六方麵內容：仿生魚體波及魚體形態學設計、機器魚二維高機動精準控製、基於仿生CPG的機器魚運動控製、機器魚的三維機動轉嚮控製、機器海豚俯仰及滾翻控製、機器海豚躍水運動控製。本書的每一章對所用機器魚及機器海豚的平颱研製、算法實現及實驗驗證均進行瞭詳細介紹。各部分的內容既相互聯係又相互獨立，讀者可根據自己的需要選擇學習。
本書內容全麵、係統、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，也可作為廣大緻力於機器人研究的科研人員和技術工作者瞭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

喻俊誌，中國科學院自動化所研究員，博士生導師。國傢傑齣青年基金獲得者，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。主要研究方嚮為智能機器人、機電一體化、計算智能等。先後主持國傢和省部級以及應用科研項目20餘項，包括國傢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期刊上發錶論文70餘篇，包括IEEE匯刊論文35篇，9次獲IEEE ROBIO、IEEE-CYBER等會議佳論文奬。獲得授權發明專利22項、軟件著作權12項、製定地方標準1項，部分成果已在水質監測和水中機器人大賽上得到應用，部分成果已實現産業化。獲北京市科學技術一等奬（排名第二）、北京市科技新星、中國自動化學會青年科學傢奬等。
譚民，中國科學院自動化所研究員，博士生導師。國傢傑齣青年基金獲得者，國傢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，新世紀百韆萬人纔工程國jia級人選，中國科學院“百人計劃”入選者。曾擔任國傢“十五”863計劃機器人技術主題專傢組成員，國傢“十一五”863計劃先進製造領域專傢組成員。近年來在先進機器人控製、仿生機器人、多機器人協調與控製等方麵開展研究與開發工作，負責和參加國傢863計劃項目、973項目、自然科學基金項目等20餘項。發錶SCI收錄論文100餘篇，獲授權國傢發明專利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專傢，中國機電一體化技術應用協會第六屆理事會常務理事，中國人工智能學會智能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、智能機器人控製、多機器人係統研究。主持和參加973項目、國傢安全重大基礎研究項目、自然科學基金重點和麵上項目、國傢863計劃項目、支撐計劃項目、國際閤作項目等20餘項。閤著圖書3本，發錶SCI/EI學術論文70餘篇，獲授權國傢發明專利20項，軟件著作權登記7項，主持製定機器人國傢標準2項。

精彩書評

本書係統闡述瞭六方麵內容：仿生魚體波及魚體形態學設計、機器魚二維高機動精準控製、基於仿生CPG的機器魚運動控製、機器魚的三維機動轉嚮控製、機器海豚俯仰及滾翻控製、機器海豚躍水運動控製。每一章對所用機器魚及機器海豚的平颱研製、算法實現及實驗驗證均進行瞭詳細介紹。各部分的內容既相互聯係又相互獨立，讀者可根據自己的需要選擇學習。
本書內容全麵、係統、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，也可作為廣大緻力於機器人研究的科研人員和技術工作者瞭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。

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金槍魚腹鰭的生成(35)
2.5魚體波仿真(36)
2.6與Lighthill魚體波的關係(40)
2.7應用與討論(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製(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彎麯階段(46)
3.3.2保持階段(49)
3.3.3伸展階段(50)
3.3.4精準轉彎控製策略(54)
3.4定嚮遊動(55)
3.5實驗(57)
3.5.1三關節小型機器魚原地轉嚮實驗(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形起動與定嚮遊動實驗(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的機器魚運動控製(73)
4.1引言(73)
4.2仿生CPG模型(74)
4.2.1Hopf振蕩器的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參數優化(76)
4.3.1Kane動力學建模(76)
4.3.2CPG參數優化(81)
4.3.3仿真與實驗(82)
4.4CPG振蕩器相位差對遊動性能的影響(85)
4.4.1遊動性能指標(86)
4.4.2一緻相位差下的性能分析(87)
4.4.3非一緻相位差下的性能分析(88)
4.4.4討論(90)
4.5機器魚倒遊機動運動控製(91)
4.5.1倒遊機動運動控製(91)
4.5.2實驗結果(94)
4.6機器魚直遊、倒遊運動學分析(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嚮控製(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的多模態運動控製(108)
5.3.1CPG網絡拓撲結構(108)
5.3.2多模態運動控製(109)
5.4機器魚S形起動運動控製(111)
5.4.1北美狗魚S形起動分析(111)
5.4.2彎麯階段設計(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製(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製 (130)
6.1引言(130)
6.2海豚推進機構(131)
6.3俯仰控製(132)
6.4前滾翻控製(133)
6.4.1前滾翻實驗(133)
6.4.2前滾翻模型(135)
6.5後滾翻控製(138)
6.5.1後滾翻實驗(138)
6.5.2後滾翻模型(140)
6.6復閤滾翻運動(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製(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腰關節及軀乾設計(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攻角控製算法(164)
7.4.1攻角變化規律(165)
7.4.2關節角計算(167)
7.4.3快速遊動反饋控製策略(169)
7.5轉嚮及定嚮控製策略(169)
7.6躍水控製(171)
7.6.1俯仰控製方法(172)
7.6.2橫滾控製方法(172)
7.6.3偏航控製方法(172)
7.6.4深度控製方法(175)
7.6.5躍水控製方法(176)
7.7實驗與討論(178)
7.7.1遊速測試與分析(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嚮(193)

前言/序言

“海闊憑魚躍，天高任鳥飛”，大自然給人類帶來瞭無限的夢想和啓示。隨著科技的蓬勃發展和經濟、軍事等領域應用需求的拉動，以“學習自然、認識自然、模仿自然、超越自然”為主旨的仿生學備受關注。通過研究、學習生物體的形態結構、功能及運動機理，提供人工係統新的設計思想和控製理念，不僅是提升人工係統性能的有效途徑，也是仿生機器人研究的重要使命。
在水下仿生領域，針對魚類和海豚等水生動物的仿生推進研究是當今的研究熱點之一。億萬年的進化賦予魚類及海豚高效、高速、高機動的遊動技能，其性能遠超目前各種人造水下航行器。生物學傢和工程學者嘗試從生物學、力學、機械學、人工智能等角度來探索魚類及海豚的高性能水下推進機製，並希望藉鑒到水下航行器的研製中，提高當前水下航行器的推進性能。20世紀90年代，美國麻省理工學院通過研製仿生金槍魚來探究魚類減阻機製與推進效率，拉開瞭機器魚研究的序幕。世界各地的研究機構及大學紛紛加入到水下仿生推進的研究隊伍中，並推動這個領域快速發展。特彆是近十年，隨著科技發展帶來的技術革新，仿生機器魚/機器海豚的性能得到瞭有效提升。人們針對仿生機器魚/機器海豚的研究不再局限於簡單的行為模仿，而是逐漸嚮感知-結構-材料-控製一體化方嚮發展。
本書作者及其科研團隊在國傢自然科學基金項目（61375102, 61333016, 61421004, 61633020）、北京市自然科學基金項目（3141002, 4161002）等的大力支持下，在水下仿生推進領域，曆經十餘年的潛心耕耘，通過刻苦鑽研、大膽創新、自主研發、廣泛交流，取得瞭一批科研成果。本書是作者在總結水下高機動仿生推進理論和技術方麵的研究成果及多年科研實踐經驗的基礎上撰寫而成的，其中部分內容是已經公開發錶的學術論文，部分內容則是作者對水下仿生推進技術的深度思考和見解。
全書內容共分8章。第1章介紹瞭水下仿生機器人的基本概念及研究背景，並概括瞭仿生機器魚的發展曆程及國內外的研究現狀。第2章詳細論述瞭仿生魚體波及魚體形態學設計方法，給齣瞭仿生機器魚實現高效運動的兩個必要條件。第3章主要研究魚類的C形起動，給齣瞭基於動態軌跡法的機器魚二維高機動精準控製方法。第4章以魚類倒遊機動為研究重點，詳細介紹瞭基於仿生中樞模式發生器（central pattern generator, CPG）的機器魚運動控製。第5章重點研究瞭仿生機器魚的三維機動轉嚮控製，主要包括S形起動、大範圍偏航、俯仰及橫滾運動。第6章聚焦於機器海豚的機動運動，先後實現瞭機器海豚竪直麵內的前後滾翻及組閤運動。第7章主要研究海豚的躍水運動，給齣瞭高性能機器海豚係統的設計方案及高速、高機動運動控製方法，並首次實現瞭機器海豚的躍水運動。第8章總結全文，歸納瞭高機動水下仿生機器魚的特點，並展望瞭未來的發展趨勢。
本書主要由喻俊誌、譚民、王碩撰寫。科研團隊的同事、博士生及碩士生參與瞭部分章節的資料整理工作，特彆感謝吳正興、蘇宗帥、汪明、袁俊、劉金存、陽翔、陳星宇、龐磊等。同時，特彆感謝國傢自然科學基金、北京市自然科學基金、國傢863計劃項目、中國科學院項目的資助。此外，還要感謝那些參加瞭項目研究的團隊人員、博士研究生和碩士研究生。由於作者水平有限，時間倉促，書中難免存在疏漏及不妥之處，敬請廣大讀者和專傢不吝批評指正，對此我們錶示衷心感謝。
作者
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