面向海洋勘测的多水下机器人编队跟踪控制研究

本文研究面向海洋勘测任务的多水下机器人系统编队跟踪控制分析和设计问题。首先,以有向图为工具,建立水下机器人之间的信息交互模型,并利用局部相邻个体的信息构建了基于一致性的协议。然后,提出多水下机器人系统实现编队跟踪控制的充分条件。通过分析证明,若期望的编队满足给定条件,则多水下机器人系统可实现预定义的编队队形。此外,通过将编队控制协议增益矩阵计算转化为代数黎卡提方程求解问题,给出了一种确定编队控制协议矩阵的新方法。最后,通过数值模拟验证了所提方法的有效性。

基于故障因子的多水下机器人系统容错一致性

针对一类多水下机器人系统,考虑有向的拓扑结构和执行器部分失效故障,开展基于故障因子的容错一致性方法研究。首先根据故障的分布特性,引入故障因子,建立了一种新的部分失效故障模型。进而引入误差变量将一致性问题转化为系统的稳定性问题。基于所建故障模型,结合代数图论、线性矩阵不等式等方法,提出一类容错控制器的设计方法,实现了故障下多水下机器人系统的容错一致性。最后通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

多水下机器人编队通信研究

针对多水下机器人编队控制中的水下无线通信问题,提出了一种基于调度的水下无线环状媒介访问控制协议,克服了由于多跳带来的隐藏终端和暴露终端的问题,保证了系统通信的公平接入和周期性控制,同时通过采用数据包捎带技术,在数据包中携带令牌信息,减少额外发送令牌控制包等方法来提高系统吞吐量。N S仿真软件上的仿真实验分析了新协议的性能,通过与类似ALOHA的基于竞争协议的对比实验确定新协议的使用范围,验证了上述媒介访问控制协议的有效性和可行性。

基于C/S模式的多水下机器人仿真平台网络通信研究

文章研究了基于客户端/服务器(C/S)模式的多水下机器人仿真平台中网络通信的关键技术。文章介绍了该仿真平台的结构和功能,分析了仿真平台的信息流向和通信特点,在此基础上,提出了适合该仿真平台应用的网络通信协议和时钟同步方案,并详细讨论了Windows和QNX两种不同操作系统上的应用程序之间进行网络通信的实现方法。

基于局域网的多水下机器人仿真系统设计与实现

多水下机器人仿真系统是一个能够对多水下机器人系统的体系结构、协调控制、路径规划、学习算法等进行演示验证的分布式实时数字仿真系统,是开展多水下机器人技术研究的基础和有效手段.讨论了应用基于局域网的分布式仿真技术来解决多水下机器人系统仿真的问题,并详细说明了仿真系统的硬件组成和软件总体设计.

同优先级的多水下机器人避碰控制

根据智能水下机器人(AUV)水下通讯相对困难的特点,在改进势力场法避障的基础上,实现了单机器人的避碰控制.在机器人群体间隐式通讯条件下,应用危险阈值和智能传感器的方法,成功地解决了优先级相同的多水下机器人编队航行过程中的避碰避障问题,并在仿真环境下验证了算法的有效性.

人工势场和虚拟结构相结合的多水下机器人编队控制

传统的多水下机器人(AUV)编队算法,例如领航跟随法、虚拟结构法,对编队形成过程中AUV间的避碰问题和编队行进过程中的避障问题,没有进行有效解决。人工势场法可利用势函数进行避碰、避障,但队形组织能力略显不足。针对上述问题,提出了一种人工势场和虚拟结构相结合的多AUV编队控制算法。将系统分为3个部分:编队参考点、虚拟结构质点和AUV.以编队参考点为中心形成期望的虚拟结构以组织队形;虚拟结构质点以期望的虚拟结构为运动目标,并在运动的过程中,通过人工势场斥函数,实现避碰和避障;AUV对虚拟结构质点进行目标跟踪,从而渐进形成AUV的队形。通过编队路径跟踪、编队队形变换和编队避障等一系列仿真实验,对算法的可靠性和灵活性进行充分验证。实验结果表明:在随机的初始位置条件下,多AUV系统可以快速无碰撞地形成队形;在编队行进过程中进行灵活的队形变换,并对障碍物有效避碰。

基于人工势场和模糊规则的多水下机器人队形控制方法

人工势场法是常用机器人队形控制方法之一,它的基本原理是将机器人看做质点,通过势场作用于质点的力来规划机器人的运动;基于人工势场的队形控制方法大都是针对这种质点模型提出的,不能直接应用于多水下机器人系统,由此,提出一种人工势场和模糊规则相结合的多水下机器人队形控制算法;首先定义一组势函数,然后根据水下机器人的运动特性,设计一个模糊控制器,将势场力映射为水下机器人的期望速度和航向角;以三个水下机器人组成三角形队形为例,进行了仿真实验;实验中,初始位置散乱的水下机器人较快地形成队形,并稳定地保持队形行进,证明了该算法的可行性和有效性。

基于主从结构的多水下机器人协同路径规划

关于多水下机器人协同路径规划问题,是多水下机器人协同控制的重要研究内容之一,是一种典型的含多个约束条件的组合优化问题。针对多机器人协同路径规划因约束条件多导致算法复杂度高、耗时、求解困难等问题,提出了一种主从结构的并行多水下机器人协同路径规划算法。进化过程的每一代,子层结构应用粒子群并行算法,生成各架机器人当前的最优路径,同时,主层结构应用微分进化算法实时给出当前考虑机器人与障碍物、机器人与机器人之间避碰情况下,总系统运行时间最短的路径组合方案。上述结构将多约束分解到不同层面,有效地降低了单层结构因过多的约束条件计算时间过长以及不易实现等困难。仿真结果表明,上述算法不仅能在静态环境下生成可行的、优化的组合路径,而且在当障碍物随时间随机移动的动态环境下,也表现出可行的、良好的效果,为求解多水下机器人协同路径规划问题提供了一个高效的解决方案。

多水下机器人系统水动力计算的多线程实现

介绍多水下机器人(UUV)数字仿真平台的硬件结构以及单体UUV和多UUV系统的水动力计算流程,在此基础上利用Windows多线程技术实现多UUV的水动力计算,该方法已经用于多UUV数字仿真平台虚拟环境节点的设计中。系统仿真实验表明该方法设计的应用程序具有良好的执行效率和实时响应能力,为以后多UUV半物理仿真平台的水动力计算和实体多UUV系统水动力系数的验证奠定了基础。

多水下机器人的协调规划策略研究

以对策论为基础，从理论上分析了多水下机器人的运动协调机制，建立了多水下机器人运动协调问题的数学模型；以此为基础。

基于混合体系结构的多水下机器人协调控制体系

针对由同构机器人组成的多水下机器人系统 ,由底向上构造出一个开放的多水下机器人协调控制体系结构 ,体系中的每一个机器人成员都基于混合体系结构的。通过仿真证明了该体系结构可以满足多水下机器人协调控制的要求 ,并在此基础之上实现了包括三台水下机器人的编队航行仿真试验。

多水下机器人编队控制

论文对水下机器人的编队控制进行研究,针对领航跟随法和基于行为法各自的缺点,论文将领航跟随法和基于行为法两种控制方法相结合,设计了多水下机器人队形控制的几种基本子行为奔向目标、避障碍物、避碰、保持队形,用粒子群算法优化几种行为方式构造的适应度函数,提高多水下机器人整体编队队形控制的容错性。通过Matlab仿真平台对队形形成、队形保持、队形变换进行仿真。从仿真实验结果表明,所提出的算法提高了编队队形控制的稳定性。

不同优先级的多水下机器人避碰技术研究

在多水下机器人之间显式通讯条件下,采用动态优先级策略成功地解决了水下机器人编队航行过程中的避碰避障问题。并建立了环境仿真器,进行了多水下机器人协调避碰仿真实验,取得了良好的效果,验证了算法的有效性。

多水下机器人水声网络仿真框架设计

为了满足多水下机器人系统的仿真需求,根据水声信道和水声通信机模型,设计了一个基于局域网的水声网络通信协议仿真框架。该框架能够为分布式交互的水下机器人网络提供一个共享的虚拟水声信道,模拟通信协议在多个水下机器人节点上的运行情况。最后给出的是一个典型网络拓扑下ALOHA协议的仿真结果。

基于串级PID的机器鱼位姿控制算法

针对三关节仿生机器鱼的位姿控制问题,首先,介绍三关节仿生机器鱼的硬件结构及其运动控制系统;其次,基于期望位姿建立坐标系,构建机器鱼的位姿误差模型;再次,在串级比例-积分-微分(PID)控制系统的基础上,提出基于串级PID的仿生机器鱼位姿控制算法;最后,在URWPGSim2D仿真平台和多水下机器人协作控制系统平台下分别进行算法仿真实验和实体实验.实验结果表明:与时变反馈控制算法相比,基于串级PID算法的仿真机器鱼到达目标位姿所用时间增加,但位置误差和方向角误差减小,位姿控制的精度提高;仿生机器鱼到达期望位姿所用时间为14.4 s,位姿误差为(-3像素,-4像素,0.062 rad),基本满足循迹和搬运等应用要求,验证了算法的有效性.

一种新型多AUV水下围捕路径规划算法

针对二维水下环境下的多水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)协作围捕问题,提出一种基于改进生物启发神经网络和位置分配的围捕策略。首先对二维水下环境进行栅格地图的构建;然后多个围捕AUV之间相互合作,提出利用"位置分配"策略合理分配逃逸目标AUV周围的围捕占位点给围捕AUV;最后利用改进的Glasius生物启发神经网络算法来完成围捕AUV到达围捕点的路径规划任务,捕获逃逸目标AUV,完成协作围捕任务。与传统生物启发神经网络动态分配围捕策略相比,二维水下静态障碍物环境下的仿真验证了上述协作围捕算法能够在水下障碍物的工作空间中高效完成围捕任务。

基于DEMATEL-ANP的回溯容错控制

本文针对一类具有拓扑结构切换、时变时延及执行器故障的多水下机器人系统,开展了一类基于决策实验室–网络层次分析法(DEMATEL-ANP)的回溯容错控制方法研究.首先,利用故障历史信息,结合DEMATEL-ANP溯源故障分布特性,提出溯源故障分布因子,基于此构造了一类满足分布特性随机故障模型.其次,将拓扑结构切换问题转化为一类拓扑结构不确定性问题,结合所提随机故障模型,构造Lyapunov-Krasovskii函数,得到回溯容错控制器的设计方法,实现了拓扑结构切换下故障多水下机器人系统的容错一致性.最后,通过数值仿真验证了所提方法的有效性.

单纯形算法水雷搜索研究

采用水下机器人搜索水雷已经成为反水雷发展的一个重要方向,但单个机器人受自身能力的制约,导致搜索水雷的效率低下。单纯形算法可以应用在多机器人之间,相互协同共同完成搜索任务,从而大幅提高工作效率。仿真结果表明,采用单纯形算法构成的搜索编队仅需较少的次数就可以找到目标水雷。

多AUV的自组织人工势场编队控制方法研究

针对多自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles, AUV)水下编队与安全避障问题,将自组织映射(Self-Organizing Map, SOM)神经网络和人工势场方法相结合,提出多AUV自组织人工势场编队控制方法。首先,根据领航AUV的位置产生虚拟AUV位置,将虚拟AUV位置作为SOM的输入向量进行竞争计算,输出为跟随AUV的位置,从而控制跟随AUV到达期望目标点;接着考虑编队行进中的避障问题,采用人工势场法进行避障,规划编队路径。最后通过仿真给出算法的有效性说明。