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| 內容簡介： |
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《海洋机器人科学技术新进展》邀请了长期工作在海洋机器人一线的专家学者对海洋机器人领域的****进展和研究前沿进行探讨。在自主控制方面，包括空化技术、万米级超深海机器人控制和跨域机器人等；在自主感知方面，包括机械扫描声呐图像配准等；在人机协同控制方面，包括脑电信号识别和水下机器人操作脑电控制技术等。考虑到海洋机器人所面临的海洋环境特异性，对每一个技术问题进行探讨时都就相关的研究背景进行了详细的描述，尽可能淡化技术，将注意力集中在实际工程所需要解决的问题和实现的目标上。
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| 目錄：
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目录
丛书前言一
丛书前言二
前言
1 空化技术在海洋机器人上的应用 1
1.1 通气空化数值计算方法 2
1.2 局部超空化构型的建模与通气空化 5
1.3 局部超空化构型的水洞实验研究 10
1.4 局部超空化构型的应用 20
参考文献 27
2 万米级超深海机器人控制问题研究 28
2.1 引言 28
2.2 全海深水下机器人简介 28
2.3 全海深水下机器人建模与控制难点 29
2.4 常规建模与控制方法在处理全海深问题时的局限性 32
2.5 基于零进速推力特性的全海深水下机器人实时浮力测量方法 33
2.6 基于柔性结构的全海深水下机器人外场动力学参数辨识方法 38
2.7 全海深水下机器人动力学灰箱建模方法 44
2.8 全海深水下机器人节能下潜运动控制 51
2.8.1 基于简化模型的被控模型建立 51
2.8.2 基于系统辨识的被控模型建立方法 53
2.8.3 PID控制器设计 55
2.8.4 L1自适应控制器设计 57
2.8.5 节能下潜研究 61
2.9 本章小结 64
参考文献 64
3 跨域机器人 66
3.1 引言 66
3.2 跨域机器人的应用与分类 67
3.3 水空两栖跨域机器人的国内外发展现状 68
3.3.1 国外发展现状 68
3.3.2 国内发展现状 71
3.3.3 国内外发展差距 73
3.4 “海鲲”号跨域机器人 73
3.4.1 总体技术方案设计 73
3.4.2 跨介质流体动力分析 80
3.4.3 “海鲲”号跨域机器人样机研究 92
3.5 本章小结 96
参考文献 97
4 机械扫描声呐图像配准算法 100
4.1 引言 100
4.2 点云配准 103
4.3 SKLD-D2D配准算法 106
4.4 仿真实验 109
4.5 本章小结 115
附录A 目标函数的梯度及黑塞矩阵 116
附录B 机械扫描声呐图像运动扭曲校正原理 118
参考文献 121
5 空间认知机制启发的机器人导航 124
5.1 引言 124
5.2 空间认知 125
5.2.1 记忆神经环路 125
5.2.2 哺乳动物大脑的定位导航系统 127
5.3 空间记忆的计算模型 132
5.3.1 振荡相干模型 133
5.3.2 连续吸引子网络 134
5.3.3 自适应网络 135
5.4 机器人类脑导航 136
5.4.1 机器人导航研究 136
5.4.2 类脑导航 138
5.4.3 位置和速度联合编码的栅格细胞模型 140
5.4.4 头朝向和角速度联合编码的头朝向细胞模型 157
5.4.5 基于空间认知机制的机器人导航系统 158
5.5 类脑智能研究展望 170
5.6 本章小结 171
参考文献 171
6 脑电信号识别方法 177
6.1 引言 177
6.2 脑机接口系统 178
6.3 脑信号翻译方法 179
6.4 基于卷积深度网络的脑电信号翻译方法 182
6.5 本章小结 198
参考文献 199
7 水下机器人操作脑电控制技术 202
7.1 引言 202
7.2 基于事件相关电位的水下机械手脑电控制 206
7.2.1 ERP与水下机械手控制的优化融合 207
7.2.2 实验平台的建立 213
7.2.3 实验验证 214
7.2.4 系统评价 218
7.3 基于组合分类器不同状态下的脑电信号分类 219
7.3.1 脑电控制中干扰信号的分析与去除 220
7.3.2 手臂操作的加入及其对识别准确率的影响 221
7.3.3 分类器的组合及分类结果的选取与修正 223
7.3.4 实验验证 229
7.4 本章小结 234
参考文献 235
8 基于脑电信号的非侵入式脑机接口的原理和应用综述 238
8.1 引言 238
8.2 脑电信号的特征提取与分类技术 240
8.2.1 脑电信号的特征提取技术 240
8.2.2 脑电信号的分类技术 244
8.3 脑机接口对不同对象的控制应用 246
8.3.1 使用脑机接口控制机械臂 247
8.3.2 使用脑机接口控制轮椅 250
8.3.3 使用脑机接口控制类人机器人 252
8.4 脑机接口在海洋科学研究中的应用展望 254
8.5 脑机接口的风险、伦理与法律问题 255
8.6 本章小结 256
参考文献 257
9 机器行为学—值得关注的新学科 261
9.1 引言 261
9.2 被过分依赖的算法 262
9.3 机器行为学的研究范畴 263
9.4 机器行为学的发展 265
9.5 本章小结 266
参考文献 266
索引 267
彩图
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| 內容試閱：
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1 空化技术在海洋机器人上的应用
空化是一种物理现象。当水下运动的物体达到一定速度后，物体周围压力低于当地液体饱和蒸气压时，液体迅速气化成水蒸气，当压力升高后，水蒸气又凝结成液体，这是自然空泡形成与溃灭的本质。随着液体的流动，空泡呈现初生、发展、脱落、溃灭等演变过程。按空泡的尺寸和形态可将空化分为局部空化和超空化。局部空化是指空泡只覆盖航行体表面一定区域，又分为云雾状空化、层片状空化等；超空化是指空泡覆盖整个航行体，航行体表面自空泡起始位置不再有沾湿面，摩擦阻力大幅降低。按空化形成的条件可将空化分为自然空化和通气空化。通气空化是向水下航行体周围通入非冷凝性气体，使航行体周围压力在降低到液体饱和蒸气压之前产生空化的现象，并达到空化减阻的目的。通气空化具有空泡初生、发展和脱落的变化特征，但由于通入的气体是非冷凝性气体，因此不会出现空泡的溃灭，而是根据通气量的不同出现不同的泄气方式。
目前*为人熟知的应用超空泡技术的装备莫过于俄罗斯海军在20世纪90年代开发的“；暴风”；超空泡鱼雷(图1.1)，其利用超空泡减阻方法，结合火箭发动机的强劲动力，速度可达到200kn(约370km/h)。针对水下目标的打击，超空泡炮弹、子弹等的设计也利用了空化技术的减阻原理，可有效提高射程。
图1.1 “；暴风”；超空泡鱼雷
在水面机器人领域，空化技术鲜有应用。然而在有人船艇领域，美国朱丽叶舰船系统公司在2011年正式公开了“；幽灵”；号舰船(图1.2)，该型舰船在静止或低速航行时，船体上层建筑接触水面［图1.2(a)］，具有较好稳定性。而在高速航行时船体在潜体上水平舵的作用下抬升，使上层建筑脱离水面，依靠舰载计算机控制潜体上的水平舵维持稳定的航行姿态，采用通气空化减阻技术保证潜体的高效减阻，实现舰船在水面上高速航行［图1.2(b)］。目前试验航速已经达到32.5kn，目标航速可达70kn以上。
图1.2 “；幽灵”；号舰船
将空化减阻技术应用于海洋机器人，理想状态是达到超空化，实现**幅度的减阻。对于水下机器人，其回转体的外形容易实现超空化；对于水面机器人，只能采用类似“；幽灵”；号的小水线面形式，在潜体上实现超空化，达到大幅减阻的目的。因此，空化技术在海洋机器人上的应用研究均可以归结为水下航行体的空化特性研究。然而，海洋机器人没有“；暴风”；鱼雷的高航速特性，实现自然超空化困难，即便是应用通气空化的方法，由于空泡包覆海洋机器人整个航行体，也会使机器人失去浮力作用，并且操纵困难。除此之外，声学传感器已经成为海洋机器人必不可少的设备，为满足其工作需求，海洋机器人有必要保留一定沾湿面。
本章针对海洋机器人在较低航速下大幅减阻的需求，并满足海洋机器人具备支撑自身重量的浮力、便于机器人操纵、满足声学设备工作等要求，基于通气空化减阻方法，阐述一种局部超空化思想，并据此构建局部超空化构型，应用数值计算和水洞实验的方法分析该构型的通气空化特性，指出该构型的适用范围，并在小水线面型海洋机器人上对该构型开展试验性应用演示。
1.1 通气空化数值计算方法
1.通气空化数值计算理论
通气空化数值计算方法采用求解多相流雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS)方程结合湍流模型的方式，针对气液两相流，混合介质的RANS方程可以表示为
(1.1)
式中，下标i和j分别为坐标方向；和 p分别为混合介质的密度、速度和压强；t为时间变量；x为空间变量；为应力项；和分别为混合介质的层流和湍流黏性系数。
与自然空化数值计算方法相比，通气空化时自然空化数一般较大，自然空化产生的水蒸气相对于通入的气体要少得多，对通气空泡尺寸影响不大，数值计算中一般不考虑气-液间的相变过程，气相完全是通入的非冷凝性气体—；空气。因此，描述通气空化的数学模型中没有空化模型。然而，标准的湍流模型在模拟通气空化多相流时，计算得出的湍流黏性系数过大，普遍采用的方式是应用基于滤波的湍流模型(filter-based turbulence model，FBM)。湍流黏性系数根据滤波尺寸与当地湍流特征长度的对比结果而定，滤波尺寸根据当地网格尺寸确定[1]。湍流黏性系数定义为
(1.2)
式中，k为湍流脉动动能；.为湍流脉动动能的耗散率。
当时，例如位于壁面附近、远大于湍流特征长度的网格，湍流黏性系数为，是标准的湍流模型；当时，例如位于远离壁面、小于湍流长度的网格，湍流黏性系数为。
2.通气空化数值计算验证
我们在研究通气空化数值计算方法过程中，选择美国明尼苏达大学的通气空化实验模型进行验证、标定，如图1.3所示[2]。模型头部为直径10mm的空化器，空化器后是通气碗，内部有通气管路。模型的通气空化实验是在0.19m(宽)×；0.19m(高)的水洞中进行。实验设备中有高速摄像系统，能够捕捉通气空化发生时的影像。研究人员做了不同通气量的空化实验，选择其中部分实验结果用来验证通气空化数值计算方法。
图1.3 明尼苏达大学通气空化实验模型
数值计算中，流域上游距离空化器0.2m处设定速度入口，下游距离模型尾部0.8m处设定相对压力出口。采用三维结构网格划分流场，网格量约为260万，网格模型如图1.4所示。
图1.4 网格模型
数值计算中取空化器直径弗劳德数，定义为
(1.3)
无量纲通气量定义为
(1.4)
式中，Dn为空化器直径； u.为远场流速； g为重力加速度； Q为通入气体的体积流量。计算中弗劳德数，将空气体积分数为0.5的等值面设定为空泡界面，不同通气量情况下通气空泡形态及与实验得到的空泡形态对比如图1.5所示。
图1.5 不同条件下数值计算结果与实验结果对比
图1.5中上部为通气空化实验效果，下部为数值计算得到的通气空泡效果。可以看出，数值计算得到的通气空泡形态在不同通气量条件下与实验结果相似度很高。不同的是，实验中空泡尾部可以看到明显的气泡破碎，数值计算中受限于多相流模型和气液分界面捕捉方法，对于这种复杂的气泡破碎、合并等问题暂无法准确预报。不过总体而言，数值计算方法在预测通气空泡尺寸方面已具备一定的精度和可信度，能够开展通气空化在工程方面的应用研究。
1.2 局部超空化构型的建模与通气空化
基于通气空化方法，在一定航速和通气量条件下，水下航行体表面上的空泡能够延伸到尾部，形成超空化状态。沿水下航行体轴向方向一般很难控制空泡覆盖范围，但是依靠改变航行体圆周方向的外形和通气量可以控制空泡在航行体表面的覆盖区域，即局部超空化思想。一方面可达到空化减阻目的；另一方面可以调整通气量和通气区域，使航行体产生支撑重量的升力，或具备一定沾湿面满足声学通信要求。根据这样的设计思想，建立水下航行体的构型，并称其为局部超空化构型。
1.局部超空化构型的建模
平头空化器在超空化水下航行体上的应用*广，其产生超空化的临界空化数相对其他外形大，即容易产生空化/超空化的现象。本章在对局部超空化构型建模时，通过在航行体头部设计出平头空化器保证易于产生空化，在航行体两侧加装边条将空化区域分割为上下两部分，控制上下两部分通气量实现空化范围的控制和航行体升力控制。因此，局部超空化构型的建模关键在于确定空泡外形和尺寸，进而确定边条外缘和水下航行体主体部分的外形和尺寸。
当空化数较低时，如果不考虑重力影响，空泡可认为是椭球形，可应用经验公式估算出空泡的**直径和长度。在小空化数条件下，半锥角为空化器的超空泡长度和**直径计算公式为
海洋机器人科学技术新进展
(1.5)
(1.6)
式中，Lc和Dc分别为超空泡长度和**直径；为空化数；为理论修正系数；Cx为相应的阻力系数，其计算式为
(1.7)
式(1.7)在时成立。
当空化器尺寸确定后，按不同空化数可计算出不同的空泡尺寸，进而可设计出不同尺寸的水下航行体，因此将该空化数命名为设计空化数。在对局部超空化构型建模时，边条外缘位于设计空化数下空泡边界之外即可使通气空泡分割为上下两部分，按设计空化数0.05，根据式(1.5)、式(1.6)估算空泡**直径和长度，进而设计出局部超空化模型的主体部分，如图1.6(a)所示。在数值分析过程中，为了验证边条的作用，设计出同样尺寸无边条的模型作为对比，如图1.6(b)所示。
图1.6 局部超空化模型建模
2.局部超空化构型通气空化特性的数值计算
无边条模型通气时只能是上下同时通气，而有边条模型在通气时可以针对上下两部分分别通气。在空化器直径弗劳德数、不同通气条件下，计算
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