仿生机器鱼人工侧线感知技术

·内容反映了作者十多年来承担国家自然科学基金等重点研究项目所取得的阶段性理论成果、工程实际应用成果。 ·内容既有系统的实验研究，也有深入的理论研究，二者紧密结合。 ·将水下机器人与仿生技术相结合，将人工侧线系统用到水下机器人上，使得水下仿生机器人具有鱼类所特有的水下环境感知能力，取得了原创性的突破成果，处于国际优选水平。

本书主要介绍水下机器鱼人工侧线系统的设计及感知技术，共6章，主要内容包括人工侧线系统及其应用综述、仿盒子鱼机器人、基于人工侧线的单机机器鱼自主轨迹评估研究、基于人工侧线的双机器鱼相对位姿感知实验研究、基于人工侧线的双邻近机器鱼相对位姿估计算法研究、结论与展望等。 本书可作为高等院校相关专业研究生和高年级本科生的教材，也可供从事水下机器人等领域研究及应用的研发人员及工程技术人员参考。

谢广明 北京大学工学院教授，博士生导师。主要从事智能仿生机器人、多机器人协作、群体智能控制等方向的研究。主持包括重点项目在内的多项国家自然科学基金项目。是期刊《Mathematical Problems In Engineering》主编，包括《Scientific Reports》等多个期刊编委。发表学术论文两百余篇、被SCI收录70余篇、EI收录100余篇、发明专利授权10余项。

第1章 人工侧线系统及其应用综述
1.1 鱼类侧线的感知机理与模型
1.2 人工侧线传感器的研究现状
1.2.1 人工侧线传感器
1.2.2 人工侧线传感器分布优化
1.2.3 人工侧线传感器相关信息的总结
1.3 基于人工侧线系统的水下流场特征识别和涡街检测
1.3.1 流场分类
1.3.2 流速测量与流向检测
1.3.3 涡街检测
1.3.4 人工侧线在流场感知方面的研究总结
1.4 基于人工侧线系统的偶极子振荡源检测
1.5 基于人工侧线系统的水下机器鱼的流场辅助控制
1.5.1 运动模式识别
1.5.2 运动参数(速度和方向)的估计与控制
1.5.3 障碍物的识别与避障
1.5.4 邻近机器鱼的感知
1.5.5 其他研究
1.5.6 人工侧线在水下机器鱼控制方面的研究总结
1.6 讨论
1.7 本书主要研究内容和章节安排
本章小结
参考文献
第2章 仿箱鲀机器鱼
2.1 多鳍肢驱动仿箱鲀机器鱼
2.2 单尾鳍驱动重心可调节仿箱鲀机器鱼
本章小结
参考文献
第3章 基于人工侧线的单机器鱼自主轨迹评估研究
3.1 机器鱼自由游动感知实验介绍
3.1.1 实验概述
3.1.2 实验过程
3.2 机器鱼运动过程中体表压强变化量理论模型
3.2.1 理论基础
3.2.2 机器鱼在多运动模态中的体表压强变化量模型
3.2.3 基于数据驱动的体表压强变化量模型参数辨识
3.2.4 基于体表压强变化量模型的机器鱼运动参数估计
3.3 基于人工侧线运动参数估计的机器鱼自主轨迹评估方法
3.3.1 直线运动轨迹评估方法
3.3.2 转弯运动轨迹评估方法
3.3.3 上升运动轨迹评估方法
3.3.4 盘旋运动轨迹评估方法
3.4 实验结果
3.4.1 直线运动
3.4.2 转弯运动
3.4.3 上升运动
3.4.4 盘旋运动
3.5 讨论
本章小结
参考文献
第4章 基于人工侧线的双机器鱼相对位姿感知实验研究
4.1 实验设计
4.1.1 实验平台
4.1.2 实验方法
4.1.3 实验参数
4.1.4 实验过程
4.2 感知实验探究对应的计算流体力学仿真内容
4.3 感知实验
4.3.1 各感知实验中压强传感器测得的动态压强变化量
4.3.2 双机器鱼相对深度感知实验
4.3.3 上游尾鳍摆动幅度感知实验
4.3.4 上游尾鳍摆动频率感知实验
4.3.5 上游尾鳍摆动偏置角感知实验
4.3.6 双机器鱼相对偏航角感知实验
4.3.7 双机器鱼相对俯仰角感知实验
4.3.8 双机器鱼相对横滚角感知实验
4.4 讨论
4.4.1 双机器鱼感知模型的简化
4.4.2 双机器鱼相对前后距离的确定
4.4.3 利用人工侧线系统感知反卡门涡街
本章小结
参考文献
第5章 基于人工侧线的双邻近机器鱼相对位姿估计算法研究
5.1 回归分析
5.1.1 数据的预处理
5.1.2 随机森林回归分析
5.1.3 反向传播神经网络回归分析
5.1.4 支持向量回归分析与多元线性回归分析
5.1.5 压强传感器的冗余与不足
5.1.6 压强传感器的重要性分析
5.1.7 回归模型的评估
5.2 回归分析结果
5.2.1 人工侧线传感器的冗佘与不足分析
5.2.2 四种方法的回归分析结果
5.2.3 基于随机森林的相对偏航角和摆动幅度估计
5.3 讨论
5.3.1 近距离感知
5.3.2 双鱼相对偏航角感知与上游尾鳍摆动偏置角感知的区别
本章小结
参考文献
第6章 结论与展望