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。

履带式船用水下观察机器人设计与吸附分析

为了解决船体壁面附着物及锈蚀检测不便等问题,对履带式船用水下观察机器人开展设计与吸附分析。基于设计指标和总体结构,建立机器人运动学模型,求解机器人在直线下滑和纵向倾覆状态下单块磁体所需的理论最小吸附力。利用Maxwell对磁体模型参数进行优化,并对履带组件上布置单块磁体、N-S正反充磁2块磁体和3块磁体分别进行仿真,确定采用N-S正反充磁布置。最后制造功能样机进行实验验证。结果表明:机器人静态不失稳主要取决于其纵向倾覆状态,陆上行走单块磁体理论吸附力要达到230 N,水下运动要达到140 N;磁体模型参数确定为背板厚度3.5 mm、磁体厚度13 mm、仿真及实验船板厚度5 mm;优化后单块磁体与金属壁面满足5 mm以内的接触间距,相邻两块N-S正反方向充磁布置,等效单块磁体与金属壁面满足6.5 mm以内的接触间距;搭建样机验证了机器人设计指标的有效性,同时利用刮泥板有效限制附着物厚度,磁体与金属壁面在接触间距内实现可靠吸附。

基于海洋机器人的科学观测与实验系统研究现状与展望

海洋机器人具有观测范围大、作业灵活、机动性好、可控性强等突出优点,在海洋科学观测与海洋科学实验中发挥了重要作用,促进了物理海洋和海洋生物地球化学的发展。为阐明海洋机器人在海洋科学观测和实验中的应用情况,以水下滑翔机、自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)和无人帆船3种典型的观测型海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学观测中的应用现状;以原位采样与固定、原位培养与分析海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学实验中的应用现状;最后结合未来海洋科学研究需求,从需求牵引的角度对基于机器人的科学观测与实验系统的发展趋势进行了展望。

水下机器人在海洋观测领域的应用进展

海洋观测是海洋科学发展的基础和重要支撑,海洋观测能力的提高依赖于海洋高新技术的发展。简述了水下机器人的分类、系统组成特点及关键技术,并对水下机器人技术在海洋观测领域(如海洋科学研究、海洋灾害预报、海洋资源开发、国家权益维护等方面)的应用进行了阐述,最后对其在海洋观测领域的前景进行了展望。

基于测量机器人的精密三角高程代替隧洞二等水准的研究与应用

由于个别隧洞在施工过程中出现严重涌水,造成隧洞内通行困难,水准观测不能及时跟进的情况,此时就需要利用精密三角高程测量进行控制点的高程传递。对于如何提高三角高程精度,本文提出了适用于隧道三角高程测量的方法,通过改进控制点的造埋、利用导线三角高程同步观测、测量机器人同方向测回间天顶距互差限差设定、严密的观测数据处理等措施,在不增加外业工作量的基础上提高了三角高程的测量精度,并通过实验验证了该方法的可行性,同时满足了二等水准的观测精度要求。

采用干扰观测器的水下滑翔蛇形机器人纵倾运动控制

针对水下滑翔蛇形机器人在实现滑翔运动时存在控制输入受限和外界未知干扰的问题,提出了一种基于Nussbaum函数和非线性干扰观测器的反步控制策略。通过对欠驱动水下滑翔蛇形机器人的垂直面运动进行分析和有条件的简化,得到了对应运动学及动力学方程组。采用Nussbaum函数与双曲正切函数相结合的方式处理系统控制输入饱和,避免了双曲正切函数存在的控制器奇异值,通过非线性干扰观测器实现对外界复合扰动的有效观测并进行补偿。设计了纵倾运动跟踪的反步控制器,针对反步法中虚拟项引发的计算膨胀,采用动态面方法来消除。基于Lyapunov稳定性理论设计了控制器,保证系统能够实现速度与位置信号量的全局一致稳定性。研究结果表明:所提方案相对传统反步法,在响应时间与误差收敛速度方面都有一定程度提高,且非线性干扰观测器对于复合扰动量观测性能良好;所设计的控制器可以有效实现机器人在外界未知干扰下纵倾运动的稳定跟踪,且具有较强的鲁棒性。

复杂环境下球形机器人深度控制研究

为使油浸式变压器内部检测机器人在巡检作业时具有较高的稳定性与机动性,分析机器人在变压器油中的受力及运动的基础上,建立机器人在变压器油中的垂向运动模型。考虑存在外界未知扰动情况,提出一种基于非线性干扰观测器的自适应反步深度控制器,并通过Lyapunov函数证明了控制器的稳定性。仿真实验结果表明,所设计的控制器能够准确实现目标深度控制,有效解决了机器人在复杂环境下未知干扰造成的振荡问题,具有鲁棒性好、可靠性高的特点。

水下多电机协同推进及其动态面反步滑模控制

复杂多变暗流湍急的水下环境会造成水下机器人姿态失衡,严重时会破坏船体稳定造成偏航。针对大幅度转弯工况与应对外部随机扰动等问题,提出一种归一化的比例同步系数分配方法,构造虚拟主轴多电机协同控制系统的输入,实时调配各个从动轴推进电机的参考转速;针对该方法中异速差异大、动态响应高的需求,设计有限时间动态面反步滑模控制器,提升系统响应速度;并设计指数衰减转矩观测器,以解决水下机器人不能安装转矩传感器,但虚拟主轴方法对转矩检测精度要求较高的矛盾。仿真与实验结果表明,这种异速协同控制方法在处理瞬时大负载变化与恒定非线性扰动时,可以做到较好的实时性、鲁棒性和精度之间的平衡。

水下机器人多传感器组合系统在船体检测的应用

针对水下机器人的水下工作环境的特殊性,研究了水下多传感器信息组合系统,利用多种传感器的特殊功能,使得水下机器人拥有等同于人类的“看、触、听”感觉,并以此组合系统应用于船舶截面焊缝检测中。分析了水下机器人领域中水下传感器的小型化、低功耗等未来的研究方向。

水下机器人技术现状及在水利行业的应用前景

随着海洋资源开发的深入,水下机器人的应用越来越广泛。介绍了水下机器人分类,概述了水下机器人技术水平及现状。针对当前应用广泛的缆控水下机器人(ROV),重点介绍观察型揽控水下机器人的系统组成、功能特点,分析了其优缺点和主要应用,对水下机器人在水利行业的应用前景进行了探讨。

新型多模块水下作业机器人

海底管线是海上油气田生产设施的重要组成部分,在海洋油气工业中发挥着重要作用,必须定期或适时对其进行检测以保障其安全运营。水下机器人(ROV)以其综合优势成为进行水下结构物检测的有效载体并被广泛应用。文章介绍了利用ROV进行海底管线检测的综合作业系统,以及其他方面的检测和工作。根据实践经验,对影响作业效果的因素进行了讨论。

基于精密三角高程实现跨河水准测量的应用

以南方某跨河城际铁路为例,拟采用精密三角高程对向观测进行长距离跨河水准测量。通过高差计算公式对影响测量精度的因素进行分析,考虑使用测量机器人采用中间设站同步观测来减小或消除三角高程测量误差,并验证其可行性。结果表明:采用高精度测量仪器,并遵循科学的观测方法,能够达到城市轨道交通一等水准测量精度,满足城市轨道交通工程高程控制测量要求。

自抗扰控制器在水下机器人中的应用

针对水下机器人模型不确定性,且在实际运行过程中会受到各种不确定的干扰,因此利用自抗扰控制器不依赖于系统模型的参数,其可以实时评估和补偿内外部扰动的特点,对水下机器人进行控制。通过对水下仿机器人系统的仿真验证,从仿真结果中可以看出,所设计的控制器取得了较为优良的控制性能,具有较好的鲁棒性和抗干扰能力,具有一定的实用价值及借鉴意义。

水下机器人所摄图像的预处理

水下机器人在获取图像的过程中会受到多种因素的干扰,图像处理难度大。为提高水下图像的质量,改善图像视觉效果,必须首先解决各种干扰因素对视觉信息造成的干扰和影响。图像预处理旨在去除噪声,提高图像质量,以改善人们的视觉效果和图像质量,降低后续算法处理的难度。基于此,主要探讨使用分段线性灰度变换法进行图像处理,以达到预期效果。

测量机器人与精密水准仪在大坝变形监测中的应用

通过对大坝变形监测监测成果的整编,分析和预报大坝的变形情况,为判断大坝的安全提供必要信息。

自抗扰控制器在水下机器人中的应用

针对水下机器人模型不确定性,且在实际运行过程中会受到各种不确定的干扰,因此利用自抗扰控制器不依赖于系统模型的参数,其可以实时评估和补偿内外部扰动的特点,对水下机器人进行控制。通过对水下仿机器人系统的仿真验证,从仿真结果中可以看出,所设计的控制器取得了较为优良的控制性能,具有较好的鲁棒性和抗干扰能力,具有一定的实用价值及借鉴意义。

精密三角高程测量在跨河水准测量中的应用

在进行二等水准测量时,当水准路线跨越河流、湖泊,按照《国家一、二等水准测量规范》通常采用跨河水准测量的方法施测。其中测距三角高程法因其作业灵活、跨越长度长(100~3 500 m)、效率显著等优势而得到广泛应用。随着高精度测量机器人的出现,使得精密三角高程测量在跨河水准测量中的应用得以实现。本文根据精密三角高程测量的原理,通过双向观测减弱大气折光的影响,采用多测回测角测距观测程序自动照准测量,缩短了观测时间,提高了测量精度。通过跨越永定河高程连测的实际应用,解算结果表明,该方法能够达到二等水准测量的精度要求,且工作效率有了很大的提高。该方法对跨河水准测量具有一定的推广应用价值。

基于测量机器人的精密三角高程进行二等跨河水准测量的研究与应用

基于测量机器人的精密三角高程测量在二等跨河水准实现了2台仪器间跨河视线的同时对向观测,消除了球气差的影响,且无须人工观测和量取仪器高,大大提高了观测效率和可靠性。通过大量实验验证,测量精度均达到国家二等水准精度要求,并成功应用于城市轨道交通二等水准测量中。

自抗扰控制器在水下机器人中的应用研究

针对水下机器人模型的不确定性与其在实际运行过程中受到的各种不确定因素的干扰,利用自抗扰控制器不依赖于系统模型参数就可以实时评估和补偿内外部扰动的特点,对水下机器人进行控制。通过对水下仿真机器人系统的仿真验证,发现所设计的控制器具有较为优良的控制性能、较好的鲁棒性和抗干扰能力,具有一定的实用价值及借鉴意义。

清水池观察级水下机器人巡检装置设计与实践

针对清水池巡检作业中存在需要停产、作业环境差、劳动强度大和成本高等问题,提出了清水池水下机器人巡检的技术方案。在对清水池水下巡检作业进行功能需求、性能需求分析的基础上,给出了装置的具体设计方案,并集成了一套清水池观察级水下机器人巡检装置。在4座清水池进行了水下视频检查、水样采集、泥砂沉积测量和杂物拾取等实验验证,结果表明该技术方案经济、可行,装置实现了清水池不停产水下巡检作业的目标。