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。

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。

小型无人有缆遥控水下机器人智能控制方法

针对深度确定性策略梯度(DDPG)算法应用于无人有缆遥控水下机器人(ROV)运动控制时存在的坏样本影响学习稳定性、缺少环境探索能力以及学习时间长难收敛等问题,从神经网络结构、噪声引入和融合监督学习3个方面对DDPG算法进行改进,并提出了基于混合神经网络结构和参数噪声的监督式DDPG算法。仿真结果表明,监督式DDPG算法比常规DDPG算法和传统比例-积分-微分(PID)算法更加有效。

船舶检验水下机器人结构设计与仿真

针对传统人工检验船舶水下部分工作中,存在的低效率和安全隐患等问题,结合船舶检验应用场景和水下机器人技术,研究设计一种船舶检验水下机器人,用其代替工作人员进行船舶水下检测。对该船舶检验水下机器人采用框架式结构设计,极大地提升其抗水流能力;设计导管螺旋桨作为推进结构,提高其水下作业的灵敏度。对该机器人结构进行流体仿真,仿真结果显示其在水下运行时所受阻力较小,灵敏度较高。试验结果表明:该机器人能在船舶航行之前对船舶水下部分进行外观检测,不仅能降低船舶检验的难度,而且能提高船舶检验效率。

基于有限时间干扰观测器的改进模型水下机器人自适应鲁棒容错控制

针对无人水下机器人(unmanned underwater vehicle,UUV)工作中存在的执行器故障,在系统不确定性与外界干扰下,提出一种基于有限时间扰动观测器(finite time disturbance observer,FTDO),并结合改进模型的自适应鲁棒容错控制方法。一方面,FTDO能在有限时间内对外界环境干扰进行估计;另一方面利用滑模控制加上径向基神经网络(radial basis function neyral network,RBF)的万能逼近特性,建立带有执行器故障的输入补偿;其中改进模型的引入解决了系统不确定性导致的输入饱和,提高了稳定性与鲁棒性;其次采用一种新型的双幂趋近律使滑模量在更短时间收敛到稳态误差界内;仿真与水池实验结果表明了所提方法相对于滑模控制有着更好的容错效果。

基于自抗扰控制器的水下机器人姿态控制研究

为了提高水下机器人在水中的轨迹跟踪精度,抵抗外部和内部干扰,提出了一种基于自抗扰控制技术的最优控制方法。首先,分别建立水下机器人运动模型和数学模型。其次,通过引入新的非线性函数,提高了扩张状态观测器的控制率和传统自抗扰控制的非线性误差反馈;通过改进的扩张状态观测器,将水下机器人姿态控制系统的非线性、模型不确定性和外部干扰扩展到一个新的状态。最后,采用改进的非线性状态误差反馈来抑制剩余误差,实现系统高质量控制。与PID控制和传统自抗扰控制相比,仿真和实验结果表明:改进的自抗扰控制具有超调量小、跟踪能力强和抗干扰能力强的特点。

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。

面向应用于林业采运输油管道检测的水下机器人的设计

为应用于林业采运输油管道的自主巡检,进行水下林业采运输油管道的定期巡检工作,设计了一款面向应用于林业采运输油管道检测的水下机器人。介绍了水下机器人的机械结构部分、控制部分、管道巡检部分设计。水下机器人使用的是STM32F407ZGT6单片机作为主控MCU,使用Open MV作为视觉电路板。经过实验验证,设计的水下机器人可以完成采运输油管道的巡检工作。

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。

基于捕获点理论的混合驱动水下刀锋腿机器人稳定性判据

由8个推进器和6条刀锋腿混合驱动的水下机器人可在水底或水下结构物表面上行走.所提方法旨在研究这类机器人运动稳定性的评判准则,即稳定性判据.现有的稳定性判据多集中于同一机构(腿)驱动的陆地机器人,未涉及混合驱动的水下刀锋腿机器人.针对该问题,提出了基于捕获点理论的混合驱动水下刀锋腿机器人稳定性判据.首先,在建立混合驱动水下滚动倒立摆模型的基础上,利用机器人运动状态预测摆动腿和支撑腿切换瞬间机器人的动能;然后,根据推进器所能提供的推力范围,计算迫使机器人静止的捕获点变化范围,即获取捕获域;最后,根据捕获域与支撑域的空间关系,判断机器人是否稳定,并计算机器人的稳定裕度.水下实验结果表明,所提出的稳定性判据具有较好的充要性和普适性.

仿冰壶火炬传递两栖机器人的水下航行设计研究

随着科技的不断发展,机器人成为未来生活不可或缺的一部分,针对北京2022年冬奥会水下火炬传递应用的需求,设计了仿冰壶火炬传递两栖机器人。通过对机器人进行初期建模,并进行了机器人水下航行的稳定性仿真与研究,通过矢量控制方法对机器人推进器进行布局以推力分配。通过大量实验测试,将理论分析与实际数据进行对比,进行真实的水动力模型建立,并实现了机器人水下航行的稳定控制。最终,在北京2022年冬奥会上成功完成奥运史上首次机器人水下火炬接力。

水下机器人新型吸附结构设计及其实验研究

水下机器人已广泛用于代替人类开展各种水下巡检与维护作业,吸附结构作为机器人面对各类复杂斜面、立面稳定运动的重要单元,其可靠性至关重要。但现有的吸附结构仍存在吸附力弱、适应性差等缺点。为此,提出了一种基于曲面负压吸附的水下机器人吸附结构。通过理论研究,分析了吸附结构的特性;利用Ansys有限元仿真,对吸附结构进行模拟仿真实验,详细分析了各项关键参数对吸附力的影响。理论计算与仿真结果表明,吸附结构所产生的吸附力高于推进器推力以及平面吸附结构所产生的吸附力;当吸附结构距壁面间隙为8 mm时,平面吸附结构达到最大吸附力136 N,此时,曲面吸附结构可以产生194 N的吸附力,相当于同等情况下推进器4.5倍以上的推力。开展了实物验证与水下机器人应用验证,在垂直壁面上对机器人开展了爬行实验。结果表明,吸附结构进一步提高了吸附力,有助于水下机器人的爬坡吸附运动。

养殖工船作业型水下机器人结构设计与研究

水质检测是深远海集约化养殖的重要环节,水质好坏直接影响着鱼类的生长。目前,水质检测的主要方式是构建水质监测网络系统和人力采集水样检测,这些检测方式存在操作复杂且效率低、作业区域受限、监测周期长等问题。为此,研发设计了一款用于养殖工船水质检测的作业型水下机器人。首先提出水质检测系统和水下机器人系统的总体设计方案。然后利用Solidworks建模软件对水下机器人机械结构进行整体设计,外壳采用流线型结构,其上搭载抽水管口,采用水平2个和垂直4个推进器布局设计,保证水下机器人能够自由运动;基于Ansys软件对机器人的外壳、固定结构和耐压舱等进行应力数值模拟,并结合理论计算对机器人的设计进行完善。最后完成机器人样机软件调试以及性能、自由度和水质检测等水下试验测试。结果表明:水下机器人的密封性、自由度、抽水检测等性能试验均满足工作要求,可以达到对指定位置进行分层和定点水质采样,所获得的水质检测数据可为水产养殖提供数据参考。

全海深自变形水下机器人高效运动实现机理研究

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机器人的设计思想,构建了一种适应于水下水平面与垂直面的高效运动模式,提出一种面向全海深高效运动的自变形水下机器人的实现方法。在对自变形水下机器人潜浮阶段与海底直航阶段运动进行模型分析的基础上,提出基于有效工作时间的运动效率评价方法。最后结合流体仿真软件Fluent对阻力系数的辨识,对自变形水下机器人的运动效率进行评估,验证了该自变形的构形方式相较于传统回转外形构形方式在面向全海深工作环境的高效性。

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。

水下机器人在入海水道通榆河立交工程涵洞的探查应用

入海水道通榆河立交工程经多年运行,需对难以精确检查的水下部分进行详实探查。结合历年水下检查成果报告、工程现状调查分析报告等资料,以20#涵洞为典型场景,选择搭载水下光学摄像设备、二维图像声呐传感器、全向成像声呐等设备的水下机器人进行水下探查,为工程运行管理和安全评估提供参考。

双控制方式下带缆水下机器人轨迹跟踪与水动力响应分析

本文首先根据已有的脐带缆运动控制方程,通过引入与工作船和水下机器人连接点处边界条件和速度耦合关系,与水下机器人运动方程一同构成完整的水动力数学模型;其次提出收放脐带缆的前馈-反馈控制方法和调节螺旋桨转速的增量式PID(Proportion Integration Differentiation)算法,建立完整的带缆水下机器人系统水动力与控制模型;最后对所提出的模型进行数值模拟实验验证与运动控制操纵下的水动力分析。数值计算结果表明:本文所提出的带缆水下机器人系统水动力与控制模型是有效可靠的,垂向运动控制过程中,水下机器人纵摇角、横摇角和沉深的模拟值与实验值最大误差分别为2°、1°和-50 mm;对于PID算法,调节螺旋桨转速控制水下机器人对给定位置信息的跟踪响应效果,模拟值与实验值相差均不大;轨迹跟踪模拟计算沿水平(X轴)方向和竖直(Z轴)方向最大相对误差分别为10%和15%;水下机器人竖向(沿Z轴)运动主要由调节脐带缆长度的前馈-反馈策略决定,沿水平(X轴)方向的运动主要由调节螺旋桨转速的PID算法控制;机器人水动力载荷受其周围流场变化的影响,而流场的变化主要由机器人运动速度的改变和螺旋桨转速变化二者共同决定。

基于降阶扩张状态观测器的水下机器人自抗扰运动控制

提出了一种基于降阶扩张状态观测器(ROESO)的水下机器人(ROV)自抗扰运动控制方法。以实验室现有的ROV为研究对象,利用流体仿真软件计算的水动力参数建立动力学模型,以深度控制为例,进行了抗干扰能力仿真分析。仿真结果验证了本文提出的控制方法相比于线性自抗扰控制(LADRC)方法具有较好的信号跟踪精度以及扰动抑制能力,较好地解决了基于ROESO的LADRC方法抗干扰能力不足的问题。

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。

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。