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。

智能水下机器人视景仿真实验平台研究

利用Multigen Creator、Vega等三维仿真软件,通过编程开发某水下机器人三维视景仿真系统,对该机器人的周围环境、运动信息、声呐及摄像等传感器信息等进行了模拟仿真。经验证建立的水下机器人三维视景仿真实验平台能够较真实的模拟机器人在水下运动的实际情况。

基于自适应UKF算法的小型水下机器人导航系统

针对海流扰动及姿态、航向误差角引起的无法确知的导航系统模型误差,设计了一种带模型误差的自适应无迹卡尔曼滤波器(Adaptive unscented Kalman filter,AUKF)用于小型水下机器人(Small autonomous underwater vehicle,SAUV)推位导航系统.首先提出了小型水下机器人三维运动连续时间模型;然后针对该模型特点,基于极大后验估值原理推导了AUKF算法.仿真结果说明该算法能够克服海流扰动及姿态和航向误差引起的模型误差.对比经典无迹卡尔曼滤波器算法,采用该算法的小型水下机器人推位导航系统在复杂海况下的滤波精度显著提高.

基于神经网络的水下机器人推进器故障诊断

为提高水下机器人系统的总体可靠性,开展了推进器故障诊断研究。在三层BP神经网络的基础上,提出了一种改进的递归神经网络并推导了网络的训练算法。利用直航、转艏等试验对网络进行训练,将训练好的网络用于水下机器人运动建模,对比模型的输出与实际传感器测量值来获取残差,通过分析残差特性来提取故障诊断判据,进而进行推进器故障诊断。将提出的方法应用到仿真试验和海上试验中,得出了相应的试验结果。通过对试验结果的分析研究,验证了方法的有效性与可行性,同时也表明该方法在工程应用方面具有一定的参考意义。

智能海洋机器人技术进展

智能海洋机器人是可以在复杂海洋环境中执行各种任务的智能化无人平台,包括智能水下机器人和智能水面机器人．基于实践和在相关技术难题上的经验,提出了一些关键技术问题的解决方案．在智能水下机器人方面,探讨了体系结构、运动控制、智能规划与决策和系统仿真等关键技术．在智能水面机器人方面,探讨了快速性和智能化问题．我国在智能海洋机器人技术研究方面已经取得了较大的进步,但距离全面应用还有很大差距．

自主式水下机器人的光视觉管道探测跟踪系统

研究了自主式水下机器人(AUV)利用单目光视觉系统对水下管道的检测跟踪问题,对实现该方法的各个过程从硬件组成和软件体系结构两方面进行了阐述,从而完成了一整套水下光视觉系统的软、硬件设计.分析了水下管道图像的特点,结合该特点阐述了图像预处理过程,提出了一种改进的Hough变换方法,改善了管道边界的提取效果.同时采用管道参考区域预测方法,提高了管道的检测率以及实时性,并利用水池试验对系统的可行性和有效性进行了验证.

水下机器人改进S面控制及系统半实物仿真

针对S面控制器参数调整困难的问题,研究了改进的粒子群优化(MPSO)算法,自寻优确定S面控制器的控制参数,实现了S面控制器参数优化计算的快速收敛,避免了局部峰值的徘徊.同时,针对某水下航行器的运动控制系统,设计了控制半实物仿真系统,阐述了仿真系统的总体结构和水下机器人空间运动的非线性数学模型.仿真结果真实可靠地反映了水下机器人运动过程,验证了本文控制器对机器人的控制效果,对实际下水实验提供重要参考.

基于小波网络的水下机器人故障诊断研究

由于水下机器人系统的复杂性、不确定性及强非线性等使得对其建模异常困难,采用一种最小调整的小波神经网络对其进行运动建模以获得理想的建模效果.通过该网络的自学习,调节小波函数的伸缩因子与平移因子以及网络连接权值,既能以任意精度逼近函数的整体轮廓,也能捕捉函数的变化细节,使得函数的逼近效果较好.对比模型的输出与实际传感器测量值来生成残差,通过分析残差特性来提取故障诊断判据,进而完成推进器故障诊断.完成了推进器故障诊断的仿真试验,仿真结果验证了该方法的有效性和可行性.

基于MPSO算法的水下机器人PD控制器

为了解决传统水下机器人运动控制器只针对单独的自由度进行解耦控制,从而忽略了各自由度之间耦合效应的问题,设计了一个新型的PD控制器.该控制器在水下机器人6个自由度动力学模型的基础上,根据实际需要进行简化,利用一个运动控制方程实现4个自由度的运动控制.同时采用改进PSO算法自寻优确定控制方程的参数,以提高效率,减少设计时主观因素的影响.最后以某型AUV(autonomous underwater vehicle)为控制对象及试验平台,针对所设计的控制器进行仿真试验,结果验证了该控制器在水下机器人运动控制中的可行性.

基于Hough变换的水下管道检测方法

由于海底管道背景复杂,简单的检测算法不能给出理想的检测结果;复杂的检测算法又不能满足实时作业要求。为了克服上述问题,实时而又准确地检测水下管道,通过分析水下图像的特点以及传统Hough变换对于管道直线信息提取的局限性,有针对性地提出了对Hough变换方法的2步改进,包括前期处理改善像素点的分布以减少参与Hough变换的无效像素点的数目,和Hough变换过程中的峰值点逆向清零以保证管道边界检测的唯一性。在仿真环境和水池环境下分别对改进的方法和未改进的方法进行了对比实验,结果表明前者可以有效地提高管道检测的实时性和精确性。

水下航行体推进器设计方法研究

为了保持水下航行体的横向稳定性,避免在螺旋桨驱动时航行体发生横滚,提出了一种扭矩平衡式推进系统及其数值设计方法.推进器利用与保护导管相连的扭曲后置定子产生反扭矩来平衡螺旋桨旋转产生的扭矩.设计方法中,采用基于面元法理论的数值设计方法设计出螺旋桨,并通过数值迭代设计出导管和后置定子以满足推进器扭矩平衡的条件,最后进行总推力或总功率的校核完成设计工作.文中给出了某鱼雷和某水下机器人推进器的设计过程.通过面元法理论进行了设计参数的研究.设计范例表明了所提出的扭矩平衡式推进器数值设计方法的有效性和优越性.

一种基于信息熵约束的快速FCM聚类水下图像分割算法

智能水下机器人视觉识别系统的使命是快速、准确地处理获得水下目标的相关信息并及时反馈给计算机来指导机器人进行下一步的任务。为了在保证分割质量的前提下实现快速图像分割,结合梯度算子、图像的直方图特征和采样计算,并以图像的相对信息损耗为约束,提出了一种基于熵约束的快速FCM聚类水下图像分割算法,并依据水下图像分割效果和模糊划分的有效性评价指标,详尽研究了新算法中加权指数m的取值规律性。实验结果表明,这种算法能够获得较好的分割质量和时间效率,符合机器人对实时性的需求。

基于混沌过程神经元的水下机器人运动控制方法

考虑水下机器人运动控制系统的输入输出均为随时间连续变换的过程量,在过程神经元模型的基础上,结合S函数和预先规划的思想,提出一种过程神经元运动控制模型.在参数学习过程中,引入遍历性的渐变混沌噪声,以增强控制全局的优化能力.海浪和海流外界干扰下机器人仿真实验验证了该方法的有效性,取得了满意的结果.

基于观测器的水下机器人鲁棒故障诊断

为提高水下机器人故障检测的正确率,降低故障诊断的误报率和漏报率,基于水下机器人的空间运动方程,完成了非线性滑模观测器的设计,并利用设计的观测器完成了水下机器人的系统辨识.将观测器应用于水下机器人的传感器仿真试验和推进器故障诊断的海上试验的结果验证了该方法的有效性和可行性.

仿真模型组合的验证方法研究

针对提高复杂仿真系统的开发效率和降低开发成本的问题,提出了基于模型组合验证的仿真模型开发框架,将系统开发过程分解为模型的发现、组合和组合后的验证等阶段,通过数据类型验证和动态行为验证来实现仿真模型的重用。给出了基于标签转移系统(Labelled Transition System,LTS)的模型行为验证方法,将模型的行为序列表示为LTS,通过强模拟及语义相似度关系来判断组合后模型的动态行为与请求模型的符合程度。导弹对抗仿真模型组合实验结果表明,该方法能够半自动地完成仿真模型的组合验证,对模型有效性的验证能够满足实际应用的要求。

一种基于BPMN的业务流程图到BPEL的映射方法

随着服务组合理论的不断成熟,将基于BPMN的业务流程图转换为BPEL代码进而实现服务组合的研究受到广泛关注.目前BPMN模型的映射方法不能完成复杂结构的映射且需要人工参与.首先提出了一个基于服务组合的软件系统框架和BPMN的形式化描述方法.然后给出一种基于BPMN的业务流程图到BPEL的映射方法,其主要思想是首先映射数据流,再映射控制流来组织基本活动的执行顺序.在控制流映射中分析了基本结构和复杂结构映射的解决方案.最后,利用网上预约看病实例证明了映射方法的可行性.

基于L-π演算的WSN路由协议形式化方法

针对无线传感器网络路由协议形式化描述与验证的问题,提出了一种形式化方法 L-π演算。定义了L-π演算的语法,形式化描述无线传感器节点的广播与单播的通信行为。定义了相应的结构同余,描述了节点表达式的非顺序性。定义了相应的迁移规则,提供了路由协议形式化模型的动态推演功能。通过对无线传感器网络簇头选择协议的描述展现了L-π演算的能力。通过无线传感器网络簇头选择协议的验证实验说明了该方法能有效验证无线传感网络路由协议。

基于模型预测的动力定位控制系统体系结构及仿真

以"981"深海半潜式钻井平台为研究对象,根据国际海事组织和各大船级社对动力定位系统的安全规范要求,进行了DP-3级动力定位控制系统的总体方案设计。首先详细阐述了动力定位控制系统的硬件组成和结构及软件功能和层次,然后给出了平台的低频运动方程及基于模型预测的控制算法和控制器的具体设计方案及参数设置方法。最后建立了半实物仿真系统,进行了平台的作业工况和待机工况的动态模拟,通过仿真实验调试和验证了系统的硬件设备和软件方法。

DDM中基于历史信息排序的区域匹配算法

DDM实现的关键是更新区域和订购区域的匹配判断,其匹配算法的设计决定着分布式仿真的效率和性能。针对直接匹配算法需要维护的区域相交索引表和相交信息表的存储空间不断扩大的问题,首先提出区域聚合的基本思想及其实现方式,然后提出将历史信息排序加入到区域匹配算法中,以使算法在有效利用历史信息的基础上,提高区域匹配的运行效率。给出了算法的基本思想和具体步骤,通过应用实例详细解释了算法的具体实现过程,最后通过仿真实验,对比分析了所提算法的优缺点。

海面目标自适应实时检测

针对海面运动载体所获得的可见光序列图像及图像自身特点,提出了一种既适应于海天背景下的小目标而又适应于海岸背景下的大目标的目标快速自动检测方法.首先,量化子图像的区域复杂度以及单元区域上、下邻域的灰度差异,以预测并定位海界限区域,摒弃不含海界限区域的图像;采用周围纹理抑制方法改进的Canny算子提取海界限区域的主要轮廓,并进行Hough变换而提取海天线或海岸线;依据海界线上的灰度环境判断背景,在划定线附近的局部区域,凭借该区域内海面灰度的平缓特性而对其进行聚类提取目标;分析剩余海面灰度的统计特征,求取属于海面区域的灰度范围,快速区分海面区域和非海面区域;最后,进行后续处理,以剔除伪目标并标记真实目标.结果表明,该方法处理单帧图像的平均耗时在100ms以内,具有较好的准确性和实时性.