基于改进自抗扰的自治水下机器人运动控制系统研究

自治水下机器人控制系统是一个具有时变性、不确定性以及强耦合性的非线性复杂系统,很难建立起准确的数学模型。针对干扰下AUV的运动控制问题,提出了一种改进型自抗扰控制器:在使用fal函数的自抗扰控制器基础上,提出了具有更好平滑性的改进非线性函数nal,并且基于nal函数设计了改进后的扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制器。最后通过Matlab/Simulink对AUV的航向控制模型进行仿真。仿真结果表明,与传统的自抗扰控制器相比,改进型自抗扰控制器能够有效提高扰动的估计能力,增强系统抗干扰能力。

低速水下机器人水动力试验系统设计

针对低速水下机器人模型试验测取水动力特性的需求,设计一款满足相似理论要求的室内小型低速开口式直流水洞;利用Fluent软件仿真得到试验段各截面速度分布云图,选出满足试验条件的截面范围;搭建试验平台并进行流场标定,结果表明稳流段速度达到2 m/s,稳流段的流场均匀且稳定,范围大于200 mm×68 mm×300 mm,满足阻塞率不大于25%、试验段长度通常是模型长度3倍的要求,验证了仿真结果的正确性且满足预期水下机器人模型试验的要求。此试验系统适用于速度不大于2 m/s,模型长不大于200 mm,模型来流方向的横截面积不大于5000 mm^(2)的试验条件。

基于有限时间扩张状态观测器的水下机器人精准跟踪控制系统设计

水下机器人在运动过程中极易受到水环境因素的干扰发生运动偏移,为了保证水下机器人的精准、稳定航行,利用有限时间扩张状态观测器优化设计水下机器人精准跟踪控制系统;设计有限时间扩张状态观测器、水下机器人传感器、跟踪控制器和推进器,强化硬件系统的密封防水设计强度,完成系统硬件设计;根据水下航行任务,规划机器人的航行轨迹,作为系统控制目标;求解机器人位置、姿态角、速度等运动参数,得出水下机器人的跟踪结果;利用有限时间扩张状态观测器检测航行环境参数,结合当前机器人状态的跟踪结果,计算机器人运动控制量,在硬件系统的支持下,完成系统的精准跟踪控制功能;通过系统测试实验得出结论,静力水环境场景下水下机器人的平均位置跟踪误差为14 m、平均角度控制误差为0.10°,航行速度控制误差为0.5 m/s;动力水环境场景下水下机器人的位置跟踪误差最大值为9 m、平均角度控制误差为0.10°、航行速度控制误差为0.5 m/s。

模糊PID算法的水下机器人控制系统优化

为应对复杂的水下工作环境,提高水下机器人工作时的稳定性、灵敏度和抗干扰能力,提出一种模糊PID算法对水下机器人原控制系统进行优化。优化后的水下机器人机械结构、控制系统硬件架构不变,仅通过改变软件程序对水下机器人进行模糊PID控制。水下机器人工作时,各类传感器把现场的环境参数转化为电信号,经预设的模糊库进行模糊化处理后发送给STM32控制器;STM32控制器按预设的程序对模糊化信号进行处理,处理完去模糊化后的电信号后发送给执行元件,从而实现水下机器人的模糊PID控制。MATLAB/Simulink仿真和水下测试结果显示:与经典PID算法比较,经模糊PID算法优化后的水下机器人反应更灵敏、系统更稳定、抗干扰能力更强,达到了预期的效果。

水下捕捞机器人视觉系统发展趋势分析

为突破作业环境、劳动力等因素对渔业发展的制约,解决当前水下捕捞能见度低、机器人识别分辨率低等问题,促进渔业向现代化转型升级,从学术角度梳理、分析国内外水下机器人视觉系统关键技术发展趋势,为相关研究提供参考。基于CiteSpace软件,分别选取中国知网(China National Knowledge Infrastucture,CNKI)的数据库和Web of Science的核心数据库的文献样本,从发文量分布、关键词共现图谱、关键词时间线图谱等方面完成可视化分析,并对水下捕捞机器人作业环境、视觉系统技术进行阐述。发文量和关键词时间线图谱表明,国内外水下机器人视觉系统关键技术的研发均经历初始阶段、探索阶段和成长阶段。关键词共现图谱分析表明,人机交互、识别算法设计等方面是水下机器人视觉系统相关研究的热点。未来,水下捕捞机器人视觉系统发展应聚焦智能化、自主化,重点解决目标检测优化、水生物数据库建立、数字化系统构建等多方面难点问题。

基于嵌入式Linux的水下机器人远程监控系统设计与实现

随着社会经济与科技的不断发展,水下机器人的用途越来越广泛,其远程监控技术已成为近年研究的重点。为了对国内外水下机器人监控系统的缺陷进行改进,在分析水下机器人监控系统总体结构的基础上,对监控系统进行模块化设计。在硬件方面对水下机器人控制平台进行开发板设计,在软件方面设计实现了网络协议及嵌入式Linux系统下远程监控系统。通过测试表明系统各模块都实现了应有的功能,达到了设计要求。

水下机器人收放系统执行机构构型综合研究

针对现有水下机器人收放系统存在结构形式单一、转运范围受限的问题,借助图论相关理论,进行收放系统执行机构构型综合研究,最终建立了14种收放系统执行机构构型图库。首先,基于胚图插点法进行平面九杆单铰机构类型综合,得到40种单色拓扑图谱;其次,基于40种单色拓扑图谱提出一种平面九杆仅含单个复铰机构类型综合方法,通过单色拓扑图谱转化及其特定标记并按一定规则生成复铰机构特征数组,进而基于特征数组实现机构同构判断及其消极子链识别,得到83种双色拓扑图谱;然后,基于平面九杆单、双色拓扑图谱,结合收放系统工作特点,提出6条收放系统执行机构构型筛选条件,筛选得到71种可行构型;最后,基于71种可行构型,综合考虑机构控制、造价、美观问题,提出3条构型优选准则,最终得到14种最佳构型,并选取1种最佳构型进行了运动仿真分析。结果表明,新型收放系统执行机构满足工况要求,末端集成吊具能够实现远近位移及精确定位,机构构型设计的合理性得到验证。

双泵隔离式液压系统在工作级水下机器人中的应用

工作级水下机器人ROV的液压系统由于使用外接工具频繁而发生系统渗漏崩溃失压的概率较大。为了减少ROV在水下工作时液压系统的故障风险,介绍了一种采用由主液压系统和工具液压系统组成的双泵隔离式液压系统的水下机器人,其主液压系统和工具液压系统两个子系统完全隔离,当其中一个子系统发生故障时,另一个子系统仍能正常工作,在一定程度上保障ROV安全。

水下机器人视景仿真研究

为解决水下机器人操作困难和学习成本高等问题,开发了水下机器人视景仿真系统。运用虚幻引擎平台构建海底环境仿真,建立水下机器人虚拟模型与运动数学模型实现水下机器人在虚拟环境中的运动,建立水下机器人运动控制模式与虚拟模型进行交互,通过机器人运动模拟与视觉仿真试验验证仿真系统的可行性。试验结果表明:模拟运动路径与实际运动路径基本相符,海底环境模拟逼真度高。该系统可对水下机器人进行工作性能测试,为操作者提供培训平台且带来较强的视觉冲击,具有可行性。

无人船多波束与水下机器人(ROV)在港口码头工程水下检测中的综合应用

无人船多波束测深系统具有工作效率高、作业成本低、受水下地形限制影响小、测量精度高等特点,通过无人船自主航行和多波束系统每次发射和接收几百个高程或水深数据值形成水下地形三维点云图,全面反应水下地形地貌的整体状况以及结构物的冲淤情况等状况;水下机器人(ROV)检测系统具有安全高效等特点,能够在水下进行长时间、大水深和较远距离的对水下结构物进行检测、巡查。本文综合应用无人船多波束测深系统和水下机器人(ROV)检测系统对安庆某码头工程水下结构物外观、和港池水下地形地貌、冲淤状况进行全面检测,为港口码头运营管理部门提供养护依据。

基于ESO的水下机器人机械臂系统鲁棒模型预测控制

考虑到海洋环境的复杂性、不确定性及水下机器人机械臂系统(UVMS)的强非线性、强耦合性等特点,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的鲁棒模型预测控制(RMPC)方法。首先基于UVMS的动力学特性,建立其动力学模型,并忽略不确定项和干扰给出其名义模型系统。然后,基于名义系统设计了RMPC算法。将原系统的不确定项、干扰以及建模误差等影响因素集总为扩张状态,设计了ESO对其进行估计,并在名义模型的RMPC基础上进行了补偿,以得到应用于UVMS系统的RMPC方法。最后通过仿真实验证明,基于ESO的RMPC具有很好的轨迹跟踪性能和抗扰动能力。

多机器人系统感知能力和控制体系结构综述

为了促进多机器人系统(multi robot system,MRS)的智能化、无人化发展,并提升MRS在不同工作环境中的探测能力和系统的灵活性,本文从MRS的感知能力及其控制系统架构的角度出发,深度调研并分析了MRS相关的研究与工作,重点探讨了空中、地面、水面、水下4种应用环境下的MRS感知能力与控制系统架构,并对未来的研究方向进行展望。本文的结果可对于后续MRS在感知方法和控制系统的选用上提供参考。

面向模块化设计的水下机器人集群编队控制

针对在近海环境下,利用“以机代人”进行自主特种作业的实际需求,设计研发模块化可重构水下机器人,并提出一种基于领航者-虚拟结构的编队策略。首先针对几种不同的典型水下作业任务,依据重构方案设计异构水下机器集群;然后根据水平面三自由度运动学和动力学方程,推导水下机器人集群的动态误差模型;针对路径已知的集群编队问题提出领航者-虚拟结构策略,其中跟随者水下机器人采用基于通信时延补偿的滑模控制器进行跟踪。结果表明,该控制策略可以快速形成队形且轨迹误差小于5%。最后应用3种已开发完成的水下机器人,在可视化仿真平台中进行实验验证,证明该异构水下机器人集群编队方法合理高效。

近海水产养殖水下作业机器人监控系统设计

设计基于水下作业机器人的水产养殖管理与水质监测系统.系统利用高清网络摄像头抓拍,通过人工智能进行目标识别与解析,有效对水产目标生长进行动态监测;通过添加传感器模块动态监测近海水产养殖水质情况.系统通过微信小程序远程动态了解水产目标生长情况和水质情况.系统不仅实现近海水产养殖业互联网化、目标可视化,而且能够远程动态监测水产养殖水质情况,实现精准捕捞,降低水产养殖业成本,提高水产养殖业捕捞效率.

基于视觉伺服的水下机器人导引技术

自主水下载具(AUV)需要通过停靠入站进行休眠、电池充电、传输数据等任务的需求。AUV的导引技术对延长AUV的工作时长、扩大作业范围有重要意义。在入站过程的最后阶段,AUV需要在容许范围内保持自身与对象物的相对位姿(包括位置和方向),进而完成对接。因此,确保传感器单元和控制系统在真实的水下环境中对各种干扰具有高度精确性和鲁棒性至关重要。针对此问题,提出了一种基于视觉伺服的AUV的导引技术。首先,该技术通过模型匹配认识法确定机器人与指定标的物(对象物)之间的相对位姿来确定自己的方位。其次,通过遗传算法(GA)以完成实时的位姿认识,抵消水流、图像采集干扰带来的视觉伺服干扰。采用此方法的水下机器人控制系统分别在与东京大学合作的模拟深海水下无光环境实验,以及真实海洋环境中完成了实验验证。实验结果证明,该系统具有对低照度、高浊度引起的图像劣化以及水流引起的控制干扰具备抗干扰性和鲁棒性。

无缆自治水下机器人运动控制参数整定方法

采用目前方法对无缆自治水下机器人的运动控制参数进行整定时,没有对机器人的运动特性和控制特性进行分析,导致方法的速度控制、位置控制和导航精度较低。提出无缆自治水下机器人运动控制参数整定方法,首先对机器人在水下作业的运动过程进行了分析,根据分析结果设计PID控制器,对无缆自治水下机器人的运动进行控制,对控制结果进行分析,选取需要整定的运动控制参数。采用蚁群优化算法构建运动控制参数整定目标函数,完成无缆自治水下机器人运动控制参数的整定。仿真结果表明,所提方法的速度控制、位置控制和导航精度高。

基于CAN总线的自治水下机器人控制系统

将CAN总线应用在自治水下机器人中,构成多主站的分布式控制系统,取代了以往水下机器人采用的集中式控制结构及主从式网络结构.从硬件和软件两方面详细介绍了CAN总线在自治水下机器人中的应用方案,设计了基于P87C591单片机的CAN总线控制器,并针对水下机器人分布式控制系统的需求特点,设计了CAN应用层协议和相应的通信软件.最后通过湖试验证了控制系统的可行性和可靠性.

“CR -02”6000m无人自治水下机器人载体系统(英文)

“CR -02”6000m无人自治水下机器人(AUV)是基于“CR -01”6000m机器人的改进型。“CR -02”机器人的最大工作深度为6000m。它的一项重要功能是通过采用艏部垂向和横向对转槽道桨 ,使其具有海山爬坡能力 ;另一重要功能是它具有先进的测深侧扫声纳。抚仙湖的试验结果表明艏部对转槽道桨大大改善了机器人的机动性。本文简要地介绍了机器人的主要技术特性和参数、载体线型。

遥控自治水下机器人控制系统

针对一种新型遥控自治水下机器人ARV原理样机,开发了一套水面水下控制系统,它基于Modbus总线、具有ROV/AUV控制模式自动切换和独立工作能力。该系统包括直航、转向与潜浮三自由度运动控制功能,并搭建了一套由罗盘、陀螺、倾角仪和加速度计组成的小型组合自主导航单元。水池与湖上试验结果表明:ARV控制系统性能可靠,具有很好的鲁棒性与稳定性,能够满足水下机器人在复杂多变环境中的工作要求。

小型自治水下机器人控制系统研究开发

开发了一种性价比高的CAN总线分布式自治水下机器人控制系统结构,并采用了独特的故障处理方法.根据弱耦合简化模型,详细设计了航行控制器,并对航行控制系统进行了仿真研究.仿真与试验结果表明:控制系统性能可靠、传输率高,并具有很好的鲁棒性与稳定性,能够满足水下机器人工作环境复杂多变的要求.