機器人運動控制：仿生機器魚多模態運動CPG控制及優化 ( 簡體 字) |
| 作者：汪明,喻俊志 | 類別：1. -> 電子工程 -> 機器人 |
| 譯者： |
| 出版社：電子工業出版社 |  3dWoo書號： 47149
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NT售價： 240 元 |
| 出版日：6/1/2017 |
| 頁數：160 |
| 光碟數：0 |
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| 印刷：黑白印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
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| ISBN：9787121319020 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
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| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：基于中樞模式發生器（Central Pattern Generator，CPG）機制的機器人運動控制方法給仿生機器人，特別是仿生機器魚的研究帶來新的機遇和挑戰。一些學者研制仿生機器魚，旨在通過水下仿生研究，一方面探索魚類的減阻機制和復雜運動的控制機理，另一方面研究集高效性、機動性、靈活性和隱形性于一體的新一代無人水下航行器本體設計與控制技術。本書從分析仿生機器魚的游動機理入手，內容涵蓋仿生機器魚本體設計、樣機研制、CPG控制方法、CPG神經元振蕩器、CPG網絡拓撲、仿生機器魚動力學建模、鏈式仿生機器魚CPG控制建模、CPG反饋控制、仿生機器魚多模態運動控制、CPG控制優化等方面，為設計通用的機器人多模態CPG運動控制器奠定了一定的基礎。
仿生機器魚CPG控制是全書的主線，作者將CPG模型耦合到仿生機器魚動力學模型中，探討了CPG的參數變化對仿生機器魚運動行為的影響；針對具有胸鰭的多關節仿生機器魚，構建了最近相鄰耦合的CPG模型來解決多模態運動控制問題；傳感器信息為仿生機器魚CPG運動控制提供環境信息，高級控制中樞下行命令的傳遞使仿生機器魚獲得更高的智能，基于有限狀態機的模式切換控制方法將CPG的結構、拓撲、耦合類型、高層命令、反饋信號等耦合在一起，實現了頻率、幅值和網絡構型的自適應切換，提高了仿生機器魚運動的適應性、機動性和高效性。在此基礎上，以動力學模型得到的游動速度最大化為目標，采用粒子群優化算法對CPG模型中決定仿生機器魚游動的頻率、幅值及相位差等參數進行了優化，實現了仿生機器魚的優化控制。
形成閉環控制是實現機器人自主控制的有效途徑。本書著眼于閉環控制，側重三個融合，即CPG與機械本體融合，動力學模型與CPG信號融合，環境信息與CPG模型融合。反饋信息的引入能使仿生機器魚適應復雜的非結構化水域環境，同時能夠實現仿生機器魚多模態間的快速、平滑切換，增強仿生機器魚游動的環境適應性。本書探討的CPG反饋控制，為仿生機器魚的自主游動、路徑規劃、最優策略制定等提供了理論與技術支撐。
本書由淺入深，兼具仿生機器魚設計、研制、CPG理論、控制、優化等內容，寫作上力求文字通俗易懂，通過對仿生機器魚CPG控制的闡述為設計多模態仿生運動控制器提供新思路，同時為廣大機器人技術愛好者提供理論與實踐參考。本書的特點如下。
1．結構合理，內容全面、系統
本書以仿生機器魚CPG控制為主線，內容涉及仿生機器魚本體設計、設計步驟、樣機研制、CPG控制方法、CPG神經元振蕩器、CPG網絡拓撲、仿生機器魚動力學建模、仿生機器魚鏈式弱耦合CPG控制建模、CPG反饋控制、仿生機器魚多模態控制與模態切換、CPG控制優化，內容系統、結構合理，全面地闡釋了仿生機器魚CPG控制的主要內容。
2．理論與實踐結合，與眾不同
本書主要內容不僅有理論分析，而且有仿真和實驗等內容，力求讓讀者掌握仿生機器魚CPG控制的思維、方法與流程，進而更清晰地完成仿生機器人運動CPG控制系統的設計，從而避免枯燥地列出一系列公式，讓讀者自己去填補理論與實踐的鴻溝。
3．由淺入深，學以致用
本書從零開始，介紹了仿生機器魚的應用目的及意義，CPG及其特點，機器人CPG控制現狀等方面的內容，接著開始仿生機器魚本體設計，完成了仿生機器魚動力學建模。在此基礎上，全書由淺入深，從CPG神經元振蕩器開始，到CPG網絡構成，再到CPG反饋控制，最后到CPG優化，層層遞進，輔以仿真和實驗，讓讀者學以致用。
4．語言通俗，圖文并茂
作為一本仿生機器人應用技術叢書，筆者采用淺顯易懂的語言完成了專業知識的解說；為了能讓讀者更好地理解，筆者追求內容編寫圖文并茂，避免了枯燥乏味的大段文字，力求讓讀者能夠通過圖文更加形象地掌握仿生機器魚的CPG控制相關的方法與知識。
全書共7章，具體內容介紹如下。第1章，主要綜述了中樞模式發生器（Central Pattern Generator，CPG）控制方式、特點和模型，并闡述了仿生機器魚研究的主要內容、研究目的及意義，在此基礎上，論述了機器人CPG控制的發展狀況，探討了CPG控制的研究方向。
第2章，主要針對魚類的形態和運動機理由淺入深地給出了進行仿生機器魚設計與優化的方法和步驟。首先根據魚類游動的特點，提取仿生機器魚的形體參數和運動參數，建立了仿生機器魚運動學模型。根據該模型，仿生機器魚的運動被建模為多關節的擺動運動，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的水翼表示，其控制參數為與魚體的外形和尺寸無關的關節擺動數組和擺動頻率。其次，總結了仿生機器魚的設計步驟，并根據實際元器件和實現方法的約束，對仿生機器魚進行結構設計優化。最后，開發研制了多關節仿生機器狗魚樣機。
第3章，分析了仿生機器魚在水中的受力情況，應用Lagrange方法建立了仿生機器魚的動力學模型。在此基礎上，針對具有左右胸鰭的多關節仿生機器魚進行了動力學仿真研究。仿真時以CPG的輸出驅動魚體各部分進行運動，由此得到相關的游動結果。仿真結果表明通過改變CPG模型的相位耦合關系和輸入激勵的大小，能獲得不同的運動模態，驗證了所建仿生機器魚動力學模型的有效性。動力學建模與仿真可以用來仿真身體和環境的物理特性，為它們提供了一個初步的近似，這對仿生機器魚控制具有導向作用。
第4章，闡述了CPG神經元振蕩器模型，多關節仿生機器魚運動CPG控制建模，多模態游動分析及實驗等方面內容，主要針對具有胸鰭推進機構的多關節仿生機器魚，以一類振蕩頻率和幅值可以獨立控制的非線性振蕩器為基礎，采用最近相鄰關節耦合的方式構建了仿生機器魚鏈式CPG模型，分析了其振蕩功能單元平衡點的性態，證明了極限環的存在性、唯一性和穩定性，探討了仿生機器魚的鏈式CPG模型中各單元的耦合關系。利用該CPG模型實現了直游、倒游、胸鰭-身體尾鰭協調運動等多種游動模式。
第5章，探討了CPG耦合傳感器信號的機理，設計了在不同部位引入傳感器信號的反饋控制方法。在此基礎上，針對多關節帶胸鰭的仿生機器魚提出了基于有限狀態機的運動模式切換控制方法，解決了仿生機器魚復雜運動中CPG構型選擇的問題。基于有限狀態機的模式切換控制方法將CPG的結構、拓撲、耦合類型、輸入信號、反饋信號等耦合在一起，實現了頻率和構型的自適應控制，為仿生機器魚自主游動控制奠定了基礎。
第6章，綜合仿生機器魚游動機理，通過引入收斂速度調節因子來加快CPG模型的收斂速度，完成了一類頻率、幅值、相位可單獨調節的CPG控制模型的特性分析與運動融合。在對仿生機器魚進行動力學分析的基礎上，以動力學模型得到的游動速度最大化為目標，采用粒子群優化算法對CPG模型中決定仿生機器魚游動的頻率、幅值及相位差等參數進行了優化，最終獲得了1.14倍體長/秒的最高游速。
第7章，對全書內容作了總結，并展望了仿生機器魚的發展及CPG控制的未來研究方向。
作者
2017年5月 |
內容簡介：本書從仿生機器魚的運動控制關鍵技術——基于生物運動控制方法來控制機器魚的角度，深入闡述了仿生機器魚設計、研制、運動建模、多模態運動控制、運動優化等內容，為水下仿生機器人運動控制提供理論依據與實現方法。本書首先闡述了仿生機器魚運動控制的關鍵技術與研究方向；第2章從設計、研制樣機的角度給出了具體的設計、硬件實現、軟件開發的方法及過程；第3章闡述了仿生機器魚運動建模，并對其進行了性能分析；第4章給出了仿生機器魚多模態游動的CPG控制思路、方法和步驟；第5章從速度和能量等角度進行優化控制方法的闡述。全書緊緊圍繞機器魚游動的仿生控制，為讀者提供了基于CPG的多模態控制的方法及思路。 |
目錄：第1章 緒論 （1）
1.1 引言 （1）
1.2 仿生機器魚主要研究內容 （2）
1.3 仿生機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 （4）
1.4.2 CPG控制方法 （5）
1.5 機器人CPG控制的國內外研究現狀 （7）
1.5.1 CPG原理在機器人控制領域的應用 （7）
1.5.2 機器人CPG控制的國外研究現狀 （7）
1.5.3 機器人CPG控制的國內研究現狀 （10）
1.6 CPG數學模型 （13）
1.6.1 CPG模型簡介 （13）
1.6.1 CPG生物學模型 （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神經元振蕩器 （20）
1.6.7 環堆棧模型 （20）
1.7 CPG控制的系統實現及未來發展 （21）
1.7.1 CPG控制的系統實現 （21）
1.7.2 CPG控制的發展方向 （22）
本章參考文獻 （24）
第2章 仿生機器魚本體設計 （39）
2.1 引言 （39）
2.2 魚類學基礎 （40）
2.3 魚類游動的物理模型及特征參數 （42）
2.4 魚類游動的運動學模型及優化 （44）
2.4.1 魚類運動學模型的簡化 （45）
2.4.2 魚體波曲線方程的改進 （48）
2.4.3 仿生機器魚的設計參數優化 （48）
2.5 機器魚設計中的幾個水動力學問題 （50）
2.5.1 水動力學外形的設計 （50）
2.5.2 重心和浮心的平衡 （51）
2.5.3 驅動電機最大扭矩的估算 （51）
2.6 機器魚運動學模型的數值仿真 （52）
2.7 仿生機器魚的設計步驟 （55）
2.8 仿生機器魚機構設計 （56）
2.8.1 偏航頭部設計 （57）
2.8.2 多自由度胸鰭機構設計 （58）
2.8.3 多關節魚體及尾鰭設計 （59）
本章參考文獻 （59）
第3章 耦合CPG的機器魚動力學建模 （61）
3.1 引言 （61）
3.2 仿生機器魚動力建模 （62）
3.2.1 仿生機器魚受力坐標系建立 （62）
3.2.2 仿生機器魚受力分析 （64）
3.2.3 仿生機器魚動力學建模 （66）
3.3 耦合CPG的仿生機器魚動力學仿真 （69）
3.4 仿生游動控制實驗 （75）
本章參考文獻 （76）
第4章 仿生機器魚運動CPG控制 （78）
4.1 仿生機器魚CPG建模 （78）
4.1.1 神經元振蕩器 （78）
4.1.2 仿生機器魚CPG模型 （82）
4.1.3 CPG模型參數調節 （86）
4.2 仿生機器魚CPG控制游動實驗 （90）
4.2.1 仿生機器魚樣機研制 （90）
4.2.2 CPG控制游動實驗 （92）
本章參考文獻 （98）
第5章 CPG反饋控制與多模態運動 （100）
5.1 引言 （100）
5.2 CPG反饋控制方案設計 （101）
5.3 CPG反饋控制建模與分析 （102）
5.3.1 CPG內部耦合反饋信號建模 （102）
5.3.2 CPG輸出部耦合反饋信號建模 （105）
5.3.3 高層感覺反饋控制建模 （107）
5.4 運動模態選擇與切換控制 （110）
5.5 多模態運動實驗：機器海豚游動實驗 （112）
5.5.1 機器海豚設計與樣機研制 （112）
5.5.2 機器海豚運動仿真 （113）
5.5.3 機器海豚多模態游動實驗 （116）
5.6 多模態運動實驗：兩棲機器人實驗 （120）
5.6.1 兩棲機器人設計與樣機研制 （120）
5.6.2 兩棲機器人CPG控制建模 （122）
5.5.3 兩棲機器人水陸切換實驗 （127）
本章參考文獻 （129）
第6章 仿生機器魚CPG控制優化 （131）
6.1 基于CPG的倒游控制 （131）
6.1.1 倒游控制實現 （131）
6.1.2 兩類仿?科機器魚倒游運動控制方法對比 （132）
6.2 CPG模型收斂速度優化 （138）
6.3 基于PSO的CPG控制優化 （141）
第7章 總結與展望 （148）
7.1 總結 （148）
7.1.1 仿生機器魚本體設計與樣機研制 （148）
7.1.2 仿生機器魚動力學建模 （149）
7.1.3 仿生機器魚CPG控制建模 （149）
7.1.4 CPG反饋控制與多模態運動 （150）
7.1.5 仿生機器魚CPG控制優化 （150）
7.2 仿生機器魚CPG控制展望 （151）
7.2.1 仿生機器魚機械本體-CPG-環境系統的穩定性研究 （151）
7.2.2 在線學習與環境適應性研究 （151）
7.2.3 新材料、新結構與CPG控制 （152）
7.2.4 CPG控制的工程設計方法 （152） |
| 序： |
