自治式水下机器人的控制研究

自治式水下机器人执行使命时，沿规划路径运动的导航，特别是围绕被搜索到的目标物作圆周运动的导航，是一种强非线性的控制问题、传统方法解决这一问题很困难，神经网络为非线性控制问题的实施提供了快速、准确的工具。利用神经网络构造的非线性控制器为自治式水下机器人的导航和定位提供了一种新的途径，网络经训练后能适应混有噪声的非线性环境。本文综合利用前惯和反馈控制器的优点，把GESA算法应用于自动增强的函数链网络，首先对自治式水下机器人实施前馈控制，再利用神经网络构成的PID控制器来提高控制系统的控制精度，使自治式水下机器人沿规划轨线运动。

小襟翼对自治式水下机器人潜浮运动的影响

无动力大纵倾角的下潜和上浮方式对自治式水下机器人具有很大的意义．但是这种潜浮方式却无法满足自治式水下机器人潜浮位置范围及航向控制的要求．采用在稳定翼上加装小襟翼的方法，即可以解决这一难题．本文介绍了小襟翼对自治式水下机器人无动力潜浮运动轨迹的影响，并通过自治式水下机器人的运动方程，结合“ＣＲ－０１”６０００ｍ自治式水下机器人的深海试验结果，对这一影响作了定性地分析．

自治式水下机器人推进器故障检测、分离与重构

研究自治式水下机器人推进器故障检测、分离与重构问题。针对水下机器人故障诊断残差法中残差阈值不易选取的问题,提出了一种基于观测器的水下机器人推进器故障检测与分离方法,通过构建故障检测观测器对推进器故障与残差信号进行解耦,使推进器出现故障后仅引起与其相关的残差呈单调变化,从而可选择较大的阈值进行故障检测以提高诊断系统的可靠性,该方法在故障检测的同时可进行故障分离。针对系统不确定性导致的推进器故障重构精度低的问题,提出了一种RBF神经网络与等效输出注入相结合的故障重构方法,采用等效输出注入方法估计不确定性项,从神经网络输出中重构推进器故障。

基于单双目切换的自主式水下机器人视觉定位方法

为了解决以双目视觉为主导的自主式水下机器人(AUV)对接回收过程中出现的单一摄像机遭受遮挡或因水下环境特殊而发生故障的问题,提出一种基于单双目切换的AUV视觉定位方法。该方法通过自适应阈值法区分图像中的光源与背景,通过中心加权质心检测法提取光源中心,并以光源中心点数量为判定条件选取单目或双目视觉定位,添加水体折射参数提高定位精度。试验结果显示,采用该方法的定位耗时相比以往减少约70%,定位结果输出稳定,对接精度在允许范围内。该方法在AUV回收对接过程中通过牺牲部分定位精度来提高对接的实时性和鲁棒性,保障AUV成功对接回收。

自治式水下机器人避障行为机制研究

针对未知环境下自治式水下机器人(AUV)的运动规划问题,提出了一种基于行为的避障和趋向目标方法。根据行为动力学原理,设计了水平方面的趋向目标行为模块和避障行为模块,利用水平面的宏行为实现了水平面行为模块的融合。垂直面的行为设计根据模糊理论建立了输入"深度"和"高度"的模糊隶属度,制定了航行深度和距底高度与参考深度之间的推理规则,再通过解模糊化得到实际的参考深度的精确量。仿真结果表明:所设计的行为模型对外界环境有较好的反应性,响应正确有效,有助于提高AUV对环境的适应性。

基于最小一致性的自治式水下机器人路径规划

鉴于现有路径规划方法难以兼顾路径质量与计算效率,采用改进的最小一致性算法,用于解决海洋环境下的自治式水下机器人(AUV)路径规划问题。首先,在传统最小一致性算法的基础上,引入相邻节点间的连接权重以计算各节点的控制输入,迭代更新节点状态值并最终到达稳定状态。然后,根据离散化的栅格空间与多层邻居栅格策略构建节点图,并基于能量消耗与平滑度指标确定各节点状态值及连接权重,实现AUV全局路径规划。此外,由于AUV沿全局路径航行时可能遭遇突发威胁,因此引入偏离度等指标重新定义节点图,重规划AUV局部路径。最后,仿真结果表明了本文方法的有效性。

“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。

矢量喷水推进式水下机器人的建模仿真与验证

为提高小型水下航行器的机动性与可控性,构建了一种基于矢量喷水推进系统的新型多自由度水下机器人。为使该机器人具有理想的运动特性和优异的操控性能,对其进行了理论建模、数值仿真与实验验证。首先建立其运动学和动力学模型,分析多矢量推进作用对机器人运动姿态和航行效果的影响,据此研究机器人多矢量喷水推进协调控制的策略与方法,实现机器人自主升沉、旋转、水平移动等多姿态水中运动。此后,采用MATLAB和ADAMS对所建模型和虚拟样机进行了数值仿真,并且对机器人实物样机进行了水下运动验证实验。仿真分析与实验验证的结果表明,该机器人的运动特性和操控性能符合高机动性和高可控性的设计要求。

基于粒子群优化的自治水下机器人模糊路径规划

针对自治水下机器人(AUV)的路径规划问题进行了研究,依据模糊控制规则,提出了一种基于粒子群优化(PSO)的模糊路径规划算法。首先建立水下水平面内路径规划的模糊规则,并应用A/B模型进行静态和动态障碍物的避障。同时考虑到模糊边界的选择具有很大的随意性,所生成的路径并非最优,利用PSO算法进行模糊集合的优化,使得最终生成的路径最优。应用设计的粒子群优化模糊(PSO-fuzzy)算法针对动静态障碍物进行了避障路径规划,仿真结果验证了所设计的方法的有效性。

我国实现缆控式与自治式水下机器人深海交会拍摄

7月26日，缆控式遥控无人潜水器“发现”号与自治式水下机器人“探索”号完成协同作业，被母船吊出水面。“发现”号与“探索”号在南海北部实现深海交会拍摄，这是我国首次实现两类水下机器人交会拍摄。

自治水下机器人实时仿真系统开发研究

针对自治水下机器人 (AUVs)开发和研究中的瓶颈问题 ,该文开展了AUV实时仿真系统的研究工作。该文提出了采用半实物实时仿真模式 ,建立实时仿真系统平台的方案 ,并对实时仿真系统平台的硬件结构和软件结构进行了详细设计。在方案设计的基础上 。

“探索”号自治式水下机器人开展首次试验性应用

我国自主研发的自治式水下机器人“探索”号在南海北部开展了首次试验性应用，水下作业时间达20h。

无缆自治水下机器人运动控制技术研究

针对无缆自治水下机器人满足不同任务要求下的运动控制进行了研究。引入极大似然参数估计算法获取水下机器人水动力系数,并在此基础上搭建起6自由度运动仿真系统。通过改进传统水下机器人体系结构中的推力器布置方式、推力分配策略、运动控制方法和船位推算算法,使得无缆自治水下机器人的运动控制系统在保持原有精确定位功能的同时也能完成远距离高速航行等任务,从而解决了高速航行给无缆自治水下机器人带来的一系列问题。海上进行的速度控制、位置控制和长航程导航试验,验证了无缆自治水下机器人在所提出的运动控制系统控制下可以满足任务需求,具有一定的工程应用价值。

基于传感器信息的水下机器人动态避障研究

提出一种新的基于传感器信息的自治式水下机器人(AUV)动态避障方法。介绍了传感器的工作原理。通过栅格法把传感器采集的AUV运行环境障碍信息进行合理描述,并预测动态障碍物的速度,保证AUV能够根据传感器信息躲避障碍物,达到航行要求。最后,通过仿真实验对机器人自主避障能力进行了验证。

面向无缆水下机器人水下对接的轨迹跟踪控制

针对欠驱动无缆水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)的特点,面向水下对接的应用需要,在考虑其非完整约束的条件下,对水下机器人的非线性系统的可控性进行深入分析,并推导如何将非线性系统通过反馈变换转换成链式模型,在此基础上提出一种使用近似线性化的全状态反馈进行三维链式控制器设计的方法。最后,为了验证轨迹跟踪控制器的控制性能,在Matlab仿真环境下进行了实验,结果表明该方法可以实现路径跟踪误差的全局渐近稳定,验证了其有效性和合理性。

水下机器人光视觉目标识别系统

介绍了一个用于水下机器人的光视觉目标识别系统,描述了该系统的硬件结构和软件体系.论述了水下图像的处理方法,分析了在离散状态下比例因子对不变矩特征的影响,构造了基于不变矩的仿射变换不变量.详细描述了用于目标识别的免疫遗传神经网络的结构和建模.通过对4类实测水下目标的识别实验,证月了所提水下目标识别系统可以用于水下目标识别,并且具有较高的准确性和实时性.

多AUV主从式编队及避障控制方法

研究了自治水下机器人(AUV)主从式编队控制问题,提出了一种基于反步控制和人工势场的多AUV三维编队与避障方法,并实现了7AUV编队控制仿真和7AUV避障控制仿真。该方法利用领航者的位置信息,引入反步控制实现跟随AUV对虚拟AUV的轨迹跟踪,实现三维水下编队控制;结合人工势场的方法变换队形,有效地避开障碍物,顺利地通过障碍物区域。仿真研究表明,该方法编队时间短,差错率低,实现了预期的控制效果,验证了算法的有效性及实用性。

基于生物启发反步级联控制方法的多AUV主从式编队

研究了自治水下机器人(AUV)在三维环境中主从式编队控制问题,提出一种基于生物启发反步级联控制方法.该方法利用领航者的位置信息以及期望的队形得到虚拟AUV的航行轨迹和速度信息,引入反步控制实现跟随AUV对虚拟AUV的轨迹跟踪,实现三维水下编队控制;利用生物启发神经网络有界性的特点,解决了速度跳变以及由此引起的驱动饱和问题.仿真结果表明,该方法实现了预期控制效果,并且有较好的有效性和实用性.

AUV虚拟仿真实验教学平台的建设与应用

为了提高自主式水下机器人(AUV)的实验教学质量、突破传统实验教学的局限性、培养高质量海洋智能化领域人才,该文运用虚拟仿真技术搭建了AUV虚拟仿真实验教学平台,实现了AUV本体设计、运动控制仿真以及水下实训等教学内容。经过教学实践证明,AUV虚拟仿真实验教学不仅巩固了学生的理论知识,同时提高了学生的AUV设计、仿真实践能力和自主创新意识。