第9卷第3期 智能系统学报 Vol.9 No.3 2014年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jun.2014 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201309004 网络出版地址：http://www.enki..net/kcms/doi/10.3969/j.issn.16734785.201309004.html 仿生机器鱼运动控制方法综述 王耀威，纪志坚，翟海川 (青岛大学自动化工程学院，山东青岛266071) 摘要：运动控制是仿生机器鱼研究的核心问题，为此，依据解决运动控制问题的不同思路，总结了仿生机器鱼运动 控制常见的几种研究方法：基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法、正弦控制器方法和基于中枢模式发生器模型的方 法，分别对3种运动控制方法的基本原理和特点进行了总结和归纳，分析了3种方法在可靠性、稳定性和实时性等方 面的优缺点，最后指出了仿生机器鱼运动控制方法的发展趋势。 关键词：仿生机器鱼：运动控制：正弦控制器：鱼体波曲线拟合：中枢模式发生器 中图分类号：TP301.6文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)03-0276-09 中文引用格式：王耀威，纪志坚，翟海川.仿生机器鱼运动控制方法综述[J】.智能系统学报，2014,9(3)：276284. 英文引用格式：WANG Yaowei,JI Zhijian,ZHAI Haichuan..A survey on motion control of the biomimetic robotic fish[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2014,9(3):276-284. A survey on motion control of the biomimetic robotic fish WANG Yaowei,JI Zhijian,ZHAI Haichuan (School of Automation Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China) Abstract:Motion control is the key issue in the biomimetic robotic fish research.This paper presents a comprehen- sive review of motion control of the biomimetic robotic fish under different scenarios.Proposals for motion control of the biomimetic robotic fish reviewed include the method of curve fitting of the fish body wave based on the structure of the bar system,the method of sinusoidal controller and the method based on the central pattern generator (CPG).The principles of each of these methods as well as the corresponding characteristics are discussed,and then the advantages and disadvantages of the three methods are analyzed in respect to their reliability,stability and real-time performance.The developing trends of motion control of the biomimetic robotic fish are also pointed out. Keywords:biomimetic robotic fish;motion control;sinusoidal controller;fish body wave curve fitting;central pat- tern generator 鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物，其种类 人类的发展离不开资源的持续供应，随着陆上 繁多，生活环境各异，为了觅食、御敌、繁殖后代和集 资源的日益紧缺，未来海洋资源的开发成为现在研 群洄游等生存需要，经过亿万年的自然选择进化出 究的热点。随着人类科学和技术的不断发展进步 了非凡的水中运动能力，其游动具有推进效率高、机 适应各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛 动性强、隐蔽性好、噪声低等优点[)。鱼类在水中 的发展。传统的基于螺旋桨的人造水下航行器，在 游动的完美性，吸引着大批学者研究鱼类的运动机 启动、加速性能、运动灵活性、受承载空间等方面的 理和开发仿鱼类水下机器人。 缺点限制了其作业时间和范围，进一步限制了其应 用领域)。仿生机器鱼作为一种结合了鱼类推进 收稿日期：2013-09-01.网络出版日期：2014-06-14. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61374062,61075114). 模式和机器人技术的新型水下机器人，与传统的基 通信作者：纪志坚.E-mail:jizhijian@pku.org.cn 于螺旋桨的人造水下航行器相比，具有以下几方面第 ９ 卷第 ３ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．９ №．３ ２０１４ 年 ６ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｕｎ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０９００４ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ ／ １０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３４７８５．２０１３０９００４．ｈｔｍｌ 仿生机器鱼运动控制方法综述 王耀威，纪志坚，翟海川 （青岛大学 自动化工程学院，山东 青岛 ２６６０７１） 摘 要：运动控制是仿生机器鱼研究的核心问题，为此，依据解决运动控制问题的不同思路，总结了仿生机器鱼运动 控制常见的几种研究方法：基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法、正弦控制器方法和基于中枢模式发生器模型的方 法，分别对 ３ 种运动控制方法的基本原理和特点进行了总结和归纳，分析了 ３ 种方法在可靠性、稳定性和实时性等方 面的优缺点，最后指出了仿生机器鱼运动控制方法的发展趋势。 关键词：仿生机器鱼；运动控制；正弦控制器；鱼体波曲线拟合；中枢模式发生器 中图分类号： ＴＰ３０１．６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０３⁃０２７６⁃０９ 中文引用格式：王耀威，纪志坚，翟海川． 仿生机器鱼运动控制方法综述［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１４， ９（３）： ２７６⁃２８４． 英文引用格式：ＷＡＮＧ Ｙａｏｗｅｉ， ＪＩ Ｚｈｉｊｉａｎ， ＺＨＡＩ Ｈａｉｃｈｕａｎ． Ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ９（３）： ２７６⁃２８４． Ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ ＷＡＮＧ Ｙａｏｗｅｉ， ＪＩ Ｚｈｉｊｉａｎ， ＺＨＡＩ Ｈａｉｃｈｕａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０７１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｓｓｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎ⁃ ｓｉｖｅ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ． Ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ｆｏｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｕｒｖｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｂｏｄｙ ｗａｖｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｒ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ （ＣＰＧ）． Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ， ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ； ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ； ｆｉｓｈ ｂｏｄｙ ｗａｖｅ ｃｕｒｖｅ ｆｉｔｔｉｎｇ； ｃｅｎｔｒａｌ ｐａｔ⁃ ｔｅｒｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ 收稿日期：２０１３⁃０９⁃０１． 网络出版日期：２０１４⁃０６⁃１４． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３７４０６２，６１０７５１１４）． 通信作者：纪志坚．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉｚｈｉｊｉａｎ＠ ｐｋｕ．ｏｒｇ．ｃｎ． 鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物，其种类 繁多，生活环境各异，为了觅食、御敌、繁殖后代和集 群洄游等生存需要，经过亿万年的自然选择进化出 了非凡的水中运动能力，其游动具有推进效率高、机 动性强、隐蔽性好、噪声低等优点［１］ 。 鱼类在水中 游动的完美性，吸引着大批学者研究鱼类的运动机 理和开发仿鱼类水下机器人。 人类的发展离不开资源的持续供应，随着陆上 资源的日益紧缺，未来海洋资源的开发成为现在研 究的热点。 随着人类科学和技术的不断发展进步， 适应各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛 的发展。 传统的基于螺旋桨的人造水下航行器，在 启动、加速性能、运动灵活性、受承载空间等方面的 缺点限制了其作业时间和范围，进一步限制了其应 用领域［２］ 。 仿生机器鱼作为一种结合了鱼类推进 模式和机器人技术的新型水下机器人，与传统的基 于螺旋桨的人造水下航行器相比，具有以下几方面