動(dòng)物在億萬年的漫長進(jìn)化過程中，逐步形成了各種奇異的構(gòu)造、特殊的功能和有趣的習(xí)性。人們通過長期的觀察和研究，從動(dòng)物身上得到許許多多極其寶貴的啟示，創(chuàng)造發(fā)明了性能優(yōu)異的新型機(jī)械系統(tǒng)、儀器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)和工藝流程等，這就是師法自然的仿生學(xué)。仿生機(jī)器人的研制與應(yīng)用，正成為仿生學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
　　人類祖先看到魚兒可以在水里游動(dòng)，自由自在，就模擬魚的胸鰭尾鰭發(fā)明了槳和櫓。如今，隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有可能研制出像魚一樣的高度仿生的水下機(jī)器人。研制模仿魚類生物的新型水下機(jī)器人，將會(huì)給人類海洋開發(fā)帶來新的發(fā)展和技術(shù)突破。本書作者所在的研究團(tuán)隊(duì)，從事智能仿生機(jī)器魚的研究已經(jīng)十余載，在機(jī)器魚設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、仿生運(yùn)動(dòng)控制、仿生感知、水下通信、水下導(dǎo)航與定位等方向持續(xù)展開研究，積累了豐富的研究成果。
　　我們研發(fā)了多款水下仿生機(jī)器人，包括機(jī)器海豚、仿箱鲀機(jī)器魚和可重構(gòu)水下仿生機(jī)器人等，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)彎、上升下潛、左右橫滾和前后滾翻等多種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模態(tài)，展現(xiàn)出了高機(jī)動(dòng)性。2012年，仿箱鲀機(jī)器魚首次在北極試航，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚在北冰洋里暢游。設(shè)計(jì)研發(fā)了可重構(gòu)水下仿生機(jī)器人，基于模塊化的設(shè)計(jì)，通過模塊之間不同組合連接方式實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)和功能的水下機(jī)器人，如雙尾鰭仿生機(jī)器人可以極大提高機(jī)器人的抗擾穩(wěn)定性和設(shè)備負(fù)載能力。2014年，可重構(gòu)雙尾鰭機(jī)器魚攜帶水質(zhì)傳感器在南極首航，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)游動(dòng)并實(shí)時(shí)獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)。
　　仿生運(yùn)動(dòng)控制問題的核心就是如何模擬生物的各種節(jié)律運(yùn)動(dòng)過程。我們提出了一種由線性振子構(gòu)成的中樞模式發(fā)生器（Central Pattem Generato.，CPG）網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)將高層控制指令轉(zhuǎn)化為低層執(zhí)行器可以執(zhí)行的周期性信號(hào)，基此實(shí)現(xiàn)對(duì)生物節(jié)律運(yùn)動(dòng)的復(fù)現(xiàn)，成功地在多款仿生機(jī)器人樣機(jī)上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多種仿生運(yùn)動(dòng)模態(tài)。
　　我們提出一類面向機(jī)器魚仿生推進(jìn)特點(diǎn)的改進(jìn)型串級(jí)PID姿態(tài)控制算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人航向角、俯仰角和翻滾角的獨(dú)立同步控制�？紤]機(jī)器魚周期性擺動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)擾動(dòng)，在控制回路中引入卡爾曼（Kalman）濾波器進(jìn)行平滑降噪。該控制算法可較為快速、精確地跟蹤參考輸入為階躍、方波和正弦波時(shí)的信號(hào)。
　　我們提出基于仿生側(cè)線的水下機(jī)器人游動(dòng)狀態(tài)估計(jì)模型和鄰居機(jī)器人狀態(tài)估計(jì)模型，為水下機(jī)器人的感知交互提供了新思路�；�于流體力學(xué)理論，運(yùn)用多種數(shù)據(jù)處理算法，分析機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)參數(shù)與側(cè)線數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系，建立基于仿生側(cè)線的機(jī)器魚游動(dòng)速度預(yù)測模型；分析鄰居機(jī)器魚狀態(tài)與側(cè)線數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系，建立基于仿生側(cè)線的鄰居狀態(tài)預(yù)測模型。
　　受自然界電魚通信啟發(fā)，我們提出一種面向水下機(jī)器人的新型通信方法——水下電場通信。對(duì)電魚通信進(jìn)行簡化和建模，獲得電場通信的關(guān)鍵參數(shù)，最終開發(fā)出仿生電場通信系統(tǒng)。水下電場通信是一種幾乎全向的通信，其不受水質(zhì)和水體運(yùn)動(dòng)的影響，而且對(duì)障礙物有很好的穿透力。
　　我們基于廉價(jià)的慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和攝像頭提供的有限信息，基于蒙特卡羅定位方法框架，結(jié)合基于快速自動(dòng)色彩均衡（Ac-celerated Automatic Color Equalization，AACE）技術(shù)的水下圖像處理方法和廣義卡爾曼濾波器，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)水下環(huán)境的自主定位方法，該方法的定位精度達(dá)到分米級(jí)，位姿更新頻率達(dá)到5Hz。
　　本書基于我們長期積累的研究成果，以仿箱純機(jī)器魚的研制為例，系統(tǒng)介紹仿生運(yùn)動(dòng)控制、仿生側(cè)線感知、水下電場通信與水下自主定位等仿生機(jī)器魚相關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)。通過對(duì)這些關(guān)鍵問題的介紹，希望促進(jìn)我國在仿生機(jī)器人研究領(lǐng)域的發(fā)展和普及，并進(jìn)一步促進(jìn)我國機(jī)器人事業(yè)的高科技成果轉(zhuǎn)換和實(shí)際應(yīng)用。
　　本書乃一家之言，不足之處歡迎批評(píng)指正。