针对洪涝灾害的智能水下机器人系统研究

在水下救援工作中,水域环境复杂、水流湍急、潜水人员体力限制等成为搜救阻碍因素,且深度超过30 m的水下有很大的安全风险,在洪涝灾害水中救援领域,缺乏一款水下救援、观测机器人,用以救援水中被困人员、水下相关设施进行作业。根据洪涝灾害下水中救援、观测、作业的任务要求,结合使用水域条件,构建智能水下机器人系统的软硬件体系,在满足深度、速度要求前提下,提高有效载荷能力,对总体结构、流体特性、动力能源、控制模式、通讯方式等性能进行优化配置,明确需要搭载的探测设备、执行机构类别,设计出满足救援需求的水下机器人系统,可在水文环境复杂的水域代替救援人员对被困人员进行救助,对淹没在水中的设施进行切割、抓取移动等作业。

遥控水下机器人系统在水库大坝水下检查中的应用

通过遥控水下机器人系统在水库大坝面板趾板、水库进水口、宋代古陂等工程水下检查中的实际应用,总结遥控水下机器人在清水环境下渗漏点查找、浊水环境水下冲刷检查、流动水环境水下金属锈蚀检查、易缠绕环境条件下水下检查的应用技巧,归纳遥控水下机器人系统的特点、技术优势及适用范围,为解决遥控水下机器人系统应用中出现的线缆易缠绕及难以发现大坝渗漏点等问题积累经验。

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。

基于自适应干扰观测器的水下机器人—机械臂系统反步控制

针对水下机器人-机械臂系统的强耦合、建模不确定性和环境扰动复杂的特点,提出了一种自适应干扰观测器的反步控制方法。将海洋多源干扰用线性外系统描述,设计自适应观测器进行估计。针对实际驱动器存在的输入饱和问题,设计了辅助动力系统。在此基础上,进一步设计了反步控制器,并通过李雅普诺夫理论分析了闭环跟踪系统的有界稳定性。最后通过2关节水下机器人-机械臂系统进行仿真验证,结果表明与传统的比例积分微分控制相比,文中方法能够更好地使机器人-机械臂系统跟踪预定轨迹,且具有更好的抗干扰能力。

多自主水下机器人系统研究进展与分析

多自主水下机器人系统(MAUV)越来越多地被应用于海洋勘探与资源开发,受到研究者们的普遍关注.本文探讨了常见的多自主水下机器人系统所执行的任务及所用方法,并从新功能涌现的角度对多自主水下机器人系统的协作这一关键问题进行了全面回顾与分析.首先,将合作按照任务空间、运动空间和量测空间及其组合进行分类;其次,从三个视角介绍了不同类别的水下多机器人系统及其技术方法;最后,展望了多自主水下机器人系统未来的研究思路.该综述有望为复杂的海洋应用场景中水下多机器人系统高效协同完成水下任务提供策略和途径.

水下机器人-机械手系统控制方法综述

水下机器人-机械手系统(UVMS)是未来海洋开发的重要装备,是当前的一大研究热点。综述了国内外水下机器人-机械手系统的研究现状,介绍了目前常用的动力学与运动学建模方法,总结了水下机器人-机械手系统运动学规划算法以及水下机器人-机械手系统控制方法的主要内容,最后对水下机器人-机械手系统的发展和研究方向进行了展望。

基于能源消耗最小的自治水下机器人—机械手系统协调运动研究

描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计.鉴于自治水下机器人—机械手系统是运动学冗余的且自带能源,因此将系统阻力优化函数引入逆运动学求解,设计了基于系统能源消耗最小的系统协调运动规划算法.仿真表明,该算法在解决系统冗余度的同时,有效地减小了系统能源消耗.

水下机器人-机械手系统构建与研究

描述了一水下机器人——机械手系统研究平台的搭建,详细介绍了三功能水下电动机械手的设计与实验,给出了载体分系统的设计结果,利用Matlab工具箱和M函数构建了系统仿真模型,可以有效地对系统规划和控制算法进行验证(包括分别对载体分系统和机械手分系统的控制),可为进一步的现场试验提供指导和方法验证。

自治水下机器人机械手系统协调运动研究

简单描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计,鉴于自治水下机器人-机械手系统运动学冗余、内部可能干涉以及载体圆筒式外形等特点,将惩罚调节因子引入系统运动学伪逆矩阵,保证了关节在允许范围内运动,避免载体大幅度姿态变化及载体与机械手之间的干涉,同时采用梯度投影法优化海流作用下的系统推力。仿真表明,该算法在解决系统冗余度的同时,有效地协调多任务下的系统动作。

水下机器人-机械手系统的动力学分析

随着我国海洋开发事业的发展,水下机器人操作手在水下勘探、水下采矿、海洋石油工程等领域发挥着越来越重要的作用。本文提出了一种运用指数积公式和凯恩方程对水下机器人机械手系统进行了动力学建模的新方法。采用该方法可以在同一个坐标体系中描叙系统的运动学,而且在建立动力学模型中可以避免大量的求导运算,并可以得到最少数目的微分方程。模型中考虑了海水的拖曳阻力、机器人与机械手之间的相互作用、推进器推力等因素。研究表明指数积-凯恩方法是一种建立水下机器人-机械手的一种有效方法。

水下机器人-机械手系统非奇异终端滑模控制

针对复杂集总干扰下水下机器人-机械手系统的轨迹跟踪控制难题,提出基于时延估计的非奇异终端滑模控制方法.该方法以时延估计为基础架构,利用非奇异终端滑模控制的强鲁棒性,实现复杂集总干扰下系统高性能的轨迹跟踪控制.受益于时延估计无需动力学模型的特性和非奇异终端滑模控制的强鲁棒性,所提算法具有优异的控制性能、良好的鲁棒性和工程易用性.以实验室搭建的一型水下机器人-机械手系统为研究对象,展开9自由度数值仿真和7自由度水池试验研究,结果表明:在未知复杂集总干扰下,利用相同的控制增益,所提控制方法相对传统时延估计控制可以保证更优的综合控制性能,前者系统末端定位精度为0.038 m,而后者仅为0.067m.

水下机器人-机械手姿态调节系统研究

针对微小型水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)内部空间狭小、机械手展开作业产生较大姿态倾覆力矩的问题,本文研制了一种新型的水下机器人-机械手系统(autonomous underwater vehicle-manipulator system,AUVMS)姿态调节系统。该系统可以通过机械自锁实现姿态保持以减少能耗,并且可以实现"软件限位"和"硬件限位"两级安全保护。为降低AUVMS姿态偏差和调节时间,提出适应于AUVMS姿态控制的模糊双闭环PID方法,通过模糊逻辑在线调节PID参数,以适应于AUVMS的非线性特性。通过研制的AUVMS原理样机进行水池剪缆作业实验,验证了该AUVMS姿态调节系统及提出的控制方法的有效性。

多自主式水下机器人的路径规划和控制技术研究综述

自主式水下机器人(AUV)是海洋资源勘探和开发的重要工具,在民用和军用领域都发挥着重要作用。随着AUV技术的逐步成熟,通过构建多自主式水下机器人(MAUV)系统,令多个AUV协作完成水下作业任务已成为当前的发展趋势。MAUV系统对提高水下机器人的智能化水平及发展海洋化装备具有重要的理论研究意义和实用价值。介绍目前MAUV系统的应用现状和科研进展,并对MAUV协同路径规划和集群协同控制技术等研究热点进行系统化梳理,着重分析人工智能优化和编队协同的关键技术。最后,对MAUV系统未来的发展方向进行展望。

水下机器人-机械臂系统的滑模自抗扰控制

针对水下机器人机械臂系统的强耦合、强非线性、复杂海洋多源干扰等因素影响,提出了滑模自抗扰控制器,将复杂系统模型转变为简单的积分串联系统,将内部参数不确定性、测量误差、建模误差和海洋多源干扰等扰动归结为总扰动,并采用线性扩张观测器对其进行估计并抵消。利用滑模控制器提高系统对参数摄动的不敏感性,增强控制系统的抗干扰性能,通过李雅普诺夫理论分析了控制系统的有界稳定性。仿真结果表明滑模自抗扰与传统滑模控制和自抗扰控制相比,能使水下机器人机械臂实现更好的轨迹跟踪,且系统具有更好的抗干扰能力。

基于关节限位的自治水下机器人机械手系统运动规划研究

对自治水下机器人搭载的四功能水下电动机械手进行了简要描述。考虑到自治水下机器人机械手系统的运动学冗余,将关节限位算法用于系统逆运动学求解,避免载体大幅度姿态变化。利用Matlab仿真表明该算法在解决系统冗余的同时有效的限制了关节位移。

水下机器人-机械手末端精度测量方法及误差分析

针对水下机器人-机械手系统的末端精度测量问题,本文研究2种不同原理的末端精度测量方法。为检测系统末端精度是否在某一特定范围内,提出一种非接触式末端精度范围测量方法;针对水下环境中机械手末端精度数值的测量问题,提出一种接触式水下机械手末端精度测量方法。针对末端精度测量方法的原理性误差问题,分析测量方法中误差影响因素,提出基于数值迭代方式的误差分析方法。在水下机器人艇体固定和动力悬停状态下,进行末端精度测量水池实验,实验结果表明:本文方法能实时、有效测量得出机械手末端精度,并验证了本文方法的有效性。

水下二连杆机械臂滑模控制优化研究

水下机器人-机械臂系统(UnderwaterVehicle-ManipulatorSystem,UVMS)在海洋资源采集与探索中具有重要作用。由于工作环境在水下,UVMS容易受到海流冲击,导致偏离预期位置。文章通过分析非水环境下的机械臂动力学、水动力学、机械臂对ROV本体的耦合影响,以及脐带缆对ROV本体的耦合影响,对水下二连杆机械臂进行动力学建模,并对其滑模控制方法进行研究。针对传统滑模控制的抖振问题,文章提出了一种基于改进指数趋近律的滑模控制方法,并利用MATLAB中的Simulink模块进行仿真。仿真结果表明,与传统滑模控制相比,基于改进指数趋近律的滑模控制方法有效抑制了抖振,提高了水下机械臂的动态稳定性。

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.