基于模型预测的海缆铺设用水下航行器最优避障控制

[目的]自主水下航行器(AUV)在海底复杂地形环境下执行独立铺缆作业时,需要兼顾铺缆质量和自身安全,即在避障的同时还需要保持船体与海底平面的相对高度。为此,设计一种基于模型预测的海缆铺设AUV最优避障控制方法。[方法]首先,基于模型预测控制(MPC)建立AUV的路径跟踪模型,将海底不规则障碍物分类为凸起和凹陷地形,并分别建立障碍物的工程简化数学模型;然后,根据不同地形和海缆铺设要求来设计多个目标优化函数;最后,根据地形特征点迭代计算与海底平面保持稳定高度且路径最短的最优避障路径。[结果]仿真结果表明,该方法响应性能好、可靠性高,能够使AUV选择最短路径并避开意外障碍物。[结论]在复杂的海底环境下,该方法既保障了AUV作业过程中的自身安全,又极大提高了海缆的铺设质量。

基于有缆遥控水下机器人的水电站检测方法

以三明市某水电站检测为例,将ROV应用于该水电站的水下检测工作,通过定性化图像分析和评估水下结构的具体状况。结果表明:水电站的粗栅、前池、进水口检修闸门槽、尾水、大坝溢洪道泄水闸的弧门前上游及下游闸墩、溢流面混凝土等水下结构及区域基本完好。粗栅的栅叶存在一定数量的树枝及垃圾淤积物;前池底板混凝土平整;进水口检修闸门槽基本完整,拦污栅细栅等结构存在锈蚀区域及垃圾淤积物;尾水区域水下结构良好,闸门槽埋件如侧轨等均存在锈蚀区域。大坝溢洪道泄水闸的弧门前上游及下游闸墩、弧门前堰顶、弧门的溢流面混凝土结构等基本完整,局部也存在缺陷。这一实际检测工作反映了有缆遥控水下机器人的应用特点,后期着力在实践过程中完善应用技巧并扩大应用范围。

AUV拖曳GPS浮标系统仿真研究

提出了一种运用拖曳GPS浮标进行自主水下航行器(简称AUV)辅助导航的方案,运用达朗伯原理建立了拖缆的三维运动数学模型,在确定边界条件的基础上,对AUV拖曳GPS浮标系统的运动进行了仿真,得出了拖缆在水中的姿态、拖缆上的张力分布,并对不同速度下拖缆对AUV的作用力进行了对比,具有一定的工程实用价值。

深海作业型带缆水下机器人关键技术综述

带缆水下机器人是深海勘探或采油的重要工具之一.近年来,国内外学者对其开展了广泛研究,部分成果已应用于工业生产环境.针对带缆水下机器人,从总体设计、脐带缆动力学、水动力性能、运动姿态控制以及水下机械手和作业装备等研究现状以及发展趋势进行分析综述.在总体设计方面,市场化与低成本技术使水下机器人使用前景更加广阔,针对各类特定任务的轻型和重型水下机器人发展极快;在水动力方面,机器人本体与脐带缆和机械手的耦合效应非线性较强,目前本体动响应预测精度不足,导致基于运动反馈的控制算法效果欠佳;在控制方面,滑模控制算法由于不依赖动力学响应而获得了较多应用,而基于模糊理论和神经网格的方法验证不够充分;在深海作业方面,多个刚体铰链外加抓具的结构是水下机械手最为常见的形式.扩展工具成为机械手的强有力补充,使水下机器人在深海资源获取中越来越不可替代.

遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析

脐带缆收放技术是有缆遥控水下机器人的一项关键技术,该技术直接影响水下机器人载体的收放及作业过程中脐带缆的安全。针对目前水下机器人收放系统中脐带缆收放技术的特点,给出了一种具有自动排缆、低张力缠绕、能够提供大牵引力和安全制动功能的紧凑新式脐带缆绞车方案,并对牵引绞车与储藏绞车之间脐带缆张力与牵引绞车的牵引力进行了理论分析,给出了二者之间的关系函数。

水下通信用光缆线包缠绕力学建模及仿真

因电磁波无法在水中传播,水下大容量长距离通信仅能依靠光缆等有线通信方式。对于水下航行器等需随航行体运动实时布放光缆以建立动态通信信道的应用场合,光缆线包缠绕工艺及缠绕机构的优化设计,对减小断线概率、提高水下通信的可靠性显得尤为重要。在对光缆缠绕过程及端板力学分析的基础上,提出一种以各层光缆径向变形和轴向变形为增量的逐层分析方法,建立了水下通信用光缆线包缠绕力学模型。该模型揭示了缠绕过程光缆线包内张力分布及端板变形的内在规律,以实际光缆线包结构参数和缠绕工艺参数对光缆线包内部应变、光缆层压强以及端板变形进行仿真分析,仿真结果与光缆线包缠绕过程应变实测数据符合性好。

海洋拖曳系统稳定姿态的影响因素研究

目前在进行海洋拖曳系统稳定姿态研究时,仅能针对单一的影响变量进行分析,难以将多个相互关联的物理参数作为一个整体进行考虑。鉴于此,根据拖曳系统的受力平衡,建立了海洋拖曳系统运动计算模型;并基于该模型,提取出了影响系统稳定姿态的四个关键因素,实现了多个物理参数的耦合分析。使用四阶龙格库塔法仿真计算了这个四个因素对系统稳定姿态产生的影响。数值结果表明了模型的正确性,并分别给出了各因素对系统稳定姿态的影响规律,为海洋拖曳系统的设计提供一定的理论参考和更加明确的设计依据。

海洋缆索对水下航行器的动态响应

海洋水下拖曳系统在海洋资源开发的过程中发挥着越来越重要的作用。海洋拖缆与水下拖体之间的作用相互影响、相互耦合。尤其是当水下航行器质量较小时,这种影响不可忽略。拖曳缆索的形态变化将直接影响水下航行器的运行轨迹。通过对缆索动态偏微分方程在时间上和空间上离散化处理,将无法确定缆索单元长度的问题转化为缆索单元可确定问题,并采用有限差分法进行了求解,得到了航行器直航状态下缆索的几何形态图和回转状态时缆索的几何形态图。通过将结果与实验值进行对比分析,发现在误差允许范围内(10%),这说明建立的缆索动态模型对航行器运动状态进行预测是可行的。

变缆长拖缆AUV纵向运动建模与仿真

针对拖缆自主水下航行器(AUV)运动过程中引起的拖缆长度变化问题,采用集中质量法建立了拖缆的运动方程,根据刚体动量定理及动量矩定理建立了拖缆AUV的纵向运动方程,在此基础上补充推导了AUV拖缆运动过程的变缆长边界方程。联立拖缆运动方程、AUV纵向运动方程及边界方程得到变缆长拖缆AUV纵向运动方程。基于此方程,应用4阶Runge-Kutta法对采用相同控制律方程的无缆及有缆AUV进行了对比运动仿真。仿真结果表明,随着运动过程中拖缆长度的不断增长,拖缆对AUV的作用力不断增大,对AUV各运动参数的影响也不断增大,且对AUV轴向运动速度的影响最为明显。

水下机器人光纤微缆动力学研究

讨论了水下机器人远程通信光纤微缆的动力学问题,研究分析了在海洋层流条件下水下机器人的运动对光纤微缆张力的影响,在仿真分析的基础上提出了对光纤微缆收放系统的设计要求并给出了概念设计方案。

无缆自主式水下机器人航向的模糊控制

针对自主式水下机器人各自由度之间相互耦合,其水下运动易受诸多外界环境干扰,运动具有强非线性,航向控制具有不稳定性等特点,建立近似的航向控制数学模型,设计出带有积分环节的模糊控制器,同时分析该模糊控制器的控制机理,给出积分模糊控制器的基本结构,在MATLAB/SIMULINK环境下进行了仿真验证,仿真结果表明这种控制方法能有效地提高控制系统的控制性能,具有较好的鲁棒性。

水下航行体专用线缆及其发展

本文对水下航行体专用线缆 (电线电缆和光纤光缆 )进行了较全面的介绍 ,就其结构特点进行了简要分析 ,并对其未来发展作了展望。

水下航行器近海底铺缆运动仿真研究

使用水下航行器进行铺缆较水面船铺缆有众多优势。为了快速有效地完成铺缆任务,该文对水下航行器近海底铺缆运动进行了仿真研究,分析了放缆速度、相对海流速度和航行高度等参数对铺缆运动的影响。在此基础上,为一台载人潜水试验艇拟定了近海底铺缆试验方案,并成功完成了试验任务。

水下航行体专用线缆的开发与发展

对水下航行体专用线缆(电线电缆和光纤)的开发进行了较全面的阐述,着重论述其特点,并对其发展作了展望。

脐带缆在潜器下放过程中的运动建模与仿真

潜器在下放布置过程中需要考虑变长度的脐带缆对其运动的影响,在考虑流的情况下,对脐带缆的有限差分模型进行了改进,并采用最小二乘方法求解由时间和空间上的中心差分格式离散后的非线性方程组。为了验证模型改进的有效性,将潜器在均匀定常流中水平匀速直航时的数值解与该特殊情况下的解析解进行比较,两组解的吻合不仅证实了模型改进的有效性,而且表明上述数值计算方法是可靠且有效的。在潜器下放布置运动给定的情况下,脐带缆的运动仿真结果表明,潜器姿态角的调整会对拖曳点处的缆绳张力大小和变化趋势产生显著的影响,流在改变缆绳空间形状的同时引起了缆绳对潜器作用力和力矩的非线性和时变性,脐带缆总是阻止潜器自身动力对运动速度和姿态角的改变,且对纵荡运动的影响最大。

水下机器人在渤海海底光缆调查中的应用

渤海辽东湾A构造区域受海底电缆的影响一直未能进行钻探评价,为了保证海底光缆的安全和钻井平台一次就位成功,将水下机器人技术首次应用于渤海来确定海底光缆的准确位置。介绍了水下机器人、TSS440光缆探测系统、差分定位系统、水下定位系统等光缆探测设备及探测作业过程。现场应用表明,应用水下机器人技术可克服辽东湾水浅浑浊和水流影响的困难,成功绘制出海底光缆位置坐标和图,为该区块的钻井平台就位钻探评价井作业提供可靠的保证。

基于ANSYS的无缆潜航器力学性能分析

采用数值分析和机械制造相结合的方式,设计出一款新型无缆潜航器,在设计制造出潜航器的基础上,对该无缆潜航器进行力学性能分析研究,对其水下运动规律及特性进行理论推导,采用数值分析的方法分别讨论机器人的结构力学特性和流体力学特性,并对机器人的应力应变强度参数进行仿真分析,讨论不同情况下机器人的属性参数,结合分析数据,对潜航器运行工况下的各项参数进行稳定性分析,最后对以上所有参数进行总结归纳可知,所采用的方法可用于机器人设计及优化。

基于磁信号引导的ROV海缆路由跟踪技术

针对目前常用海底缆线探测技术的优缺点，基于电磁感应原理建立海底缆线电磁场模型，通过配置双三维正交磁信号探测传感器阵列得到传感器与海缆的几何位置关系，从而获取遥控水下机器人（ROV）相对于海底缆线的路由信息。然后提出磁信号引导下遥控水下机器人海底缆线路由跟踪系统的组成结构和探测方法，以及海缆路由跟踪策略及作业流程，为随后开展ROV海缆探测试验提供了理论依据和可行的探测方法。

海底电缆巡检水下机器人的模块化控制系统

为了提高海底电缆巡检水下机器人操控稳定性,进行控制系统的模块化设计,在嵌入式ARM下进行海底电缆巡检水下机器人控制系统优化设计,控制系统分为上位机模块、下位机模块、探测模块、传感信息采集模块、智能信息处理模块和通信传输模块等,将照明传感器和压力传感器置于机器人控制系统的下位机部分,进行图像和环境数据采集,对采集的海底电缆分布信息在智能信息处理模块中实现加工和判断,采用MSP430F149嵌入式控制芯片进行中央控制单元开发,上位机模块实现数据上传和远程通信,采用超低功耗16位单片机MSP430F149进行机器人控制系统的集成信息处理和控制指令传输,实现系统的硬件模块化开发。测试表明,该控制系统具有很好的水下机器人稳定性控制性能,提高对海底电缆的准确巡检能力。

斜拉桥检测技术研究

以一座独塔双索面斜拉桥为例,对斜拉桥的检测技术进行研究。通过爬索机器人、无人机和水下机器人等检测系统对斜拉桥的斜拉索、主塔和基础的外观病害进行近距离检查;利用漏磁法对斜拉索内部钢丝锈蚀情况进行无损检测;分别在主塔塔顶和主梁跨中布置GPS系统,对斜拉桥的几何形态进行远距离在线监测和分析。通过研究,为斜拉桥的检测提供有益的参考和建议。