大自然是灵感的源泉，创新的摇篮。亿万年的自然进化，赋予了鲸豚类与环境相适应的生理结构和运动特性。利用仿生学原理进行仿生机器海豚的研究，为高性能新型水下航行器的设计与控制提供重要的理论基础和技术支撑。本文围绕仿生机器海豚的模块化系统设计、水质监测应用、定深控制、机动性分析、平面路径跟踪与双海豚协同目标追踪等问题展开研究，主要研究工作如下：

一、结合复杂动态水域实时水质监测的需求，以虎鲸为仿生对象研制了一种面向水质监测的机动型机器海豚系统。整体采用流线型设计以降低流体阻力；静动密封相结合的密封方式增加其耐压性；模块化的结构设计方便安装与更换；基于中枢模式发生器的底层运动控制器提供稳定的多模态运动。这些均有助于其完成高效率、大范围、无污染的自主水质监测任务。2016 年 9 月，在青海省玉树市禅古水库成功开展了野外水质监测应用实验。基于机器海豚的动态水质监测实验的成功不仅为三江源水源保护提供重要的数据支撑，而且为动态自主水质监测提供了新的技术手段。

二、针对机动型机器海豚的定深控制问题，提出了一种基于视线导航法和滑模观测器的滑模模糊控制算法，实现了机器海豚最小平均深度误差为 0.18 cm 的定深运动。采用视线导航法将定深控制问题转化为俯仰角跟踪控制问题，利用滑模观测器实时估算机器海豚游动速度；基于速度跟踪误差与俯仰角跟踪误差分别构建了滑模控制器获取定深运动过程中的驱动力和俯仰力矩，并进行了李雅普诺夫稳定性判据；利用模糊推理将驱动力及其变化率和俯仰力矩及其变化率分别映射到机器海豚腰、尾关节的拍动频率和鳍状肢的偏转角上；仿真和对比实验验证了所提控制方法的有效性。

三、针对机动型机器海豚的平面路径跟踪问题，提出了一种基于全局视觉和滑模模糊控制器的平面路径跟踪控制策略，实现了其“直线—圆弧”的路径跟踪与平滑切换。基于鳍状肢机构的改进策略，有效丰富了机器海豚的转向模态，为实现平面路径跟踪控制奠定基础。基于全局视觉获得机器海豚的实时位置信息，采用视线导航法将路径跟踪转化为航向角跟踪；基于航向角跟踪误差采用滑模控制器构造滑模面计算偏航力矩；利用模糊推理将该力矩及其变化率映射为各转向模态及拍动频率；仿真及实验验证了所提控制策略的有效性和鲁棒性。

四、针对双机器海豚协同目标追踪问题，提出了一种基于改进的快速遍历随机树（Rapidly-exploring Random Tree，RRT）路径规划算法和基于行为的协同追踪策略，实现了双机器海豚对静态目标与动态目标的协同追踪。为满足协同路径快速规划的需求，给出了一种基于经典 RRT*-Connect 算法的优化算法。仿真结果表明所提算法具有更快的收敛速度、更短的全局路径和更少的路径点。为了减少算法执行时间、提高追踪效率，采用基于行为的协同追踪策略和集中式结构框架将目标追踪问题分解为多个简单的子行为，通过简单子行为的有机组合来完成复杂的追踪任务。最终，野外实验验证了所提追踪策略的有效性。