智能仿生鱼设计与关键技术_谢广明，王伟，李亮著_9787118119329

　　《智能仿生鱼设计与关键技术》以仿生机器鱼的研制为例，介绍了仿生鱼的系统设计、运动控制与优化、仿生侧线感知，水下电场通信与水下自主定位等仿生机器鱼研究的若干关键科学和工程问题。希望通过对这些关键问题的介绍，为相关领域的科研人员与机器人爱好者提供一个系统而全面的学习参考资料。

　　动物在亿万年的漫长进化过程中，逐步形成了各种奇异的构造、特殊的功能和有趣的习性。人们通过长期的观察和研究，从动物身上得到许许多多极其宝贵的启示，创造发明了性能优异的新型机械系统、仪器设备、建筑结构和工艺流程等，这就是师法自然的仿生学。仿生机器人的研制与应用，正成为仿生学的一个重要发展方向。
　　人类祖先看到鱼儿可以在水里游动，自由自在，就模拟鱼的胸鳍尾鳍发明了桨和橹。如今，随着相关科学技术的不断进步，我们有可能研制出像鱼一样的高度仿生的水下机器人。研制模仿鱼类生物的新型水下机器人，将会给人类海洋开发带来新的发展和技术突破。本书作者所在的研究团队，从事智能仿生机器鱼的研究已经十余载，在机器鱼设计与实现、仿生运动控制、仿生感知、水下通信、水下导航与定位等方向持续展开研究，积累了丰富的研究成果。
　　我们研发了多款水下仿生机器人，包括机器海豚、仿箱鲀机器鱼和可重构水下仿生机器人等，实现前进后退、左右转弯、上升下潜、左右横滚和前后滚翻等多种复杂运动模态，展现出了高机动性。2012年，仿箱鲀机器鱼首次在北极试航，成功实现了机器鱼在北冰洋里畅游。设计研发了可重构水下仿生机器人，基于模块化的设计，通过模块之间不同组合连接方式实现多种结构和功能的水下机器人，如双尾鳍仿生机器人可以极大提高机器人的抗扰稳定性和设备负载能力。2014年，可重构双尾鳍机器鱼携带水质传感器在南极首航，实现了平稳游动并实时获取水质数据。
　　仿生运动控制问题的核心就是如何模拟生物的各种节律运动过程。我们提出了一种由线性振子构成的中枢模式发生器（Central Pattem Generato.，CPG）网络，通过该网络将高层控制指令转化为低层执行器可以执行的周期性信号，基此实现对生物节律运动的复现，成功地在多款仿生机器人样机上应用，实现了多种仿生运动模态。
　　我们提出一类面向机器鱼仿生推进特点的改进型串级PID姿态控制算法，实现了机器人航向角、俯仰角和翻滚角的独立同步控制。考虑机器鱼周期性摆动产生的信号扰动，在控制回路中引入卡尔曼（Kalman）滤波器进行平滑降噪。该控制算法可较为快速、精确地跟踪参考输入为阶跃、方波和正弦波时的信号。
　　我们提出基于仿生侧线的水下机器人游动状态估计模型和邻居机器人状态估计模型，为水下机器人的感知交互提供了新思路。基于流体力学理论，运用多种数据处理算法，分析机器鱼运动参数与侧线数据之间的潜在联系，建立基于仿生侧线的机器鱼游动速度预测模型；分析邻居机器鱼状态与侧线数据之间的潜在联系，建立基于仿生侧线的邻居状态预测模型。
　　受自然界电鱼通信启发，我们提出一种面向水下机器人的新型通信方法——水下电场通信。对电鱼通信进行简化和建模，获得电场通信的关键参数，最终开发出仿生电场通信系统。水下电场通信是一种几乎全向的通信，其不受水质和水体运动的影响，而且对障碍物有很好的穿透力。
　　我们基于廉价的惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）和摄像头提供的有限信息，基于蒙特卡罗定位方法框架，结合基于快速自动色彩均衡（Ac-celerated Automatic Color Equalization，AACE）技术的水下图像处理方法和广义卡尔曼滤波器，设计了一种针对水下环境的自主定位方法，该方法的定位精度达到分米级，位姿更新频率达到5Hz。
　　本书基于我们长期积累的研究成果，以仿箱纯机器鱼的研制为例，系统介绍仿生运动控制、仿生侧线感知、水下电场通信与水下自主定位等仿生机器鱼相关的关键核心技术。通过对这些关键问题的介绍，希望促进我国在仿生机器人研究领域的发展和普及，并进一步促进我国机器人事业的高科技成果转换和实际应用。
　　本书乃一家之言，不足之处欢迎批评指正。

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