自主/遥控水下机器人水面/水下通信协议设计与实现

为了解决自主/遥控水下机器人（ARV）水面控制台与水下载体之间的通信问题，设计并实现了一种基于分层结构的水面/水下通信协议。该协议根据ARV 通信特殊需求，分为应用层，数据链路层与物理层，各层之间通过事件路由的方式进行调用，层内协议规则通过有限状态机来描述，整个协议结构清晰。ARV 实验结果证明这一通信协议具有传输速率快，可靠性高等优点。

基于代理模型的水下滑翔机机翼设计优化方法

在复杂工程系统的概念设计优化中,高精度数值分析方法得到广泛应用,将高精度数值分析与优化方法有机结合,对设计空间展开全面搜索与寻优,已经成为现代设计优化方法的重要发展方向。以水下滑翔机的概念设计为研究对象,引入代理模型,控制高精度分析试验的数量,有效地化解精度与效率之间的矛盾。将参数化几何建模、网格划分以及流体数值模拟分析集成为自动分析流程,并以此为基础采用试验设计理论,构建代理模型,解决水下滑翔机机翼的多目标设计优化问题。给出基于代理模型的设计优化过程,并系统地比较几种试验设计方法的适应性,重点讨论多项式响应面和径向基函数代理模型,所得代理模型相对误差小于2%。采用梯度寻优方法与遗传算法在给定设计空间内进行全面搜索,获得机翼的最佳平面构形,水下滑翔机的升阻比提高6.76%,俯仰力矩的绝对值由0.2760N•m降低为0.0015N•m,提高水下滑翔机的运动性能。

基于关节限位的自治水下机器人机械手系统运动规划研究

对自治水下机器人搭载的四功能水下电动机械手进行了简要描述。考虑到自治水下机器人机械手系统的运动学冗余,将关节限位算法用于系统逆运动学求解,避免载体大幅度姿态变化。利用Matlab仿真表明该算法在解决系统冗余的同时有效的限制了关节位移。

基于水下作业系统阻抗力控制水下目标定位

提出了基于水下作业系统阻抗力控制的水下矩形围壁定位方法。水下作业系统末端执行器跟踪期望运动轨迹,通过与水下矩形围壁环境表面接触力反馈信息的变化获得与环境接触的特殊点,计算得到矩形围壁环境相对水下作业系统的位姿。以带有三自由度机械手的水下作业系统为例进行水下矩形围壁目标表面恒力跟踪的计算机仿真,仿真结果表明定位方法可以很好的获得矩形围壁环境的位姿,控制策略具有很好的表面跟踪和力控制能力。

水下机器人锁紧释放技术综述

叙述了锁紧释放系统在水下机器人上的应用,说明了锁紧释放装置是控制水下机器人作业的重要手段。分析了天津大学研制的水下机器人解锁释放搭载体和设备、半埋雷打捞装置夹紧爪和美国某型号武器水下发射装置完成预定任务的工作原理和结构特点。归纳总结了水下大型构件锁紧释放系统设计中应着重考虑的问题。讨论了动力源形式的选择和力(矩)裕度分析、支撑与紧固点的选择、锁紧与释放形式的选择和实现、密封技术等四项锁紧释放机构的关键技术。

基于LBL声信标的AUV快速精确定位

长基线声学定位系统是水下机器人广泛应用的外部导航设备。以对"CR-02"6000m自治水下机器人(简称AUV)技术的深入开发为背景,提出在原有长基线(LBL)定位系统的基础上增加导航功能的方案。由于海水介质非均匀性与复杂的时空变化特性,给基于测距的位置计算带来很大困难。采用平均声速法计算耗时小而误差大,波阵面定位法误差小而耗时大。为解决这个矛盾,根据AUV深度传感器给出的深度信息,采用本征声线快速计算方法解算AUV的水平面位置。与波阵面法、平均声速法进行了综合比较。仿真实验表明该方法具有优良的性能,满足AUV导航需要。

北极冰下自主/遥控机器人控制系统设计

针对北极冰下海洋参数监测的使命要求,对水下机器人控制系统进行了相关研究,将PC104总线与CAN总线应用到自主/遥控水下机器人中,实现了一种分布式与集中式相结合的水下机器人控制系统体系结构。从硬件和软件两个方面描述北极自主/遥控水下机器人控制系统的实施方案。

基于模糊推理水下作业系统运动控制研究

水下作业系统是运动学冗余系统,本文将模糊推理方法融入基于任务优先运动学控制算法,对系统载体与机械手进行协调运动分配,同时对系统多个任务进行优化。通过带有3自由度水下机械手的水下作业系统进行算例仿真研究,说明运动控制算法的有效性。

微型遥控潜水器视频监控系统

介绍了一种微型遥控潜水器视频监控系统,包括硬件装置及基于软件技术的视频数据处理技术。硬件装置完成视频信号的采集、传输、显示。视频数据处理技术解决了视频信号的捕获、存储、画面质量调节等。该系统已经在微型遥控潜水器中应用,效果良好。

主从式UUV群的随从UUV导航

单只水下机器人导航方法存在着各自的缺陷,无法满足低成本UUV群的作业需要。建立由一只具有高精度自主导航能力的主UUV和多只由低成本导航传感器的随从UUV组成的一主多从式UUV群,研究随从UUV导航方法。与前人的极坐标化方法不同,在直角坐标系下对随从UUV导航系统进行了能观性证明。随从UUV通过测距传感器测量自身到主UUV的距离,采用EKF算法进行位置估计,给出了机动航行方案。仿真实验证明了有效性。

一种低功耗微弱信号放大电路的优化设计与研究

针对远距离声源发射的水声信号微弱、水声接收设备电源能量有限的特点,提出一种功耗小、对无源元件误差灵敏度低、高增益放大的微弱水声信号通用放大电路。系统采用场效应管共源单调谐放大器为前置放大级,由四级级联低功耗运放构成带通滤波放大电路,省去传统的R、C低通网络,实现了对微弱水声信号的高增益放大和海洋背景噪声的归一化处理。通过计算电路网络传递函数极点证明了电路系统的稳定性。海上使用表明系统具有精度高、适应性强、电路稳定性好、功耗小等优点。

一个面向异构多UUV协作任务的分层式控制系统

针对异构多UUV协作任务,提出了基于多智能体系统的分层式体系结构(MAHA).在个体层面,将UUV智能体的思维状态分为社会心智和个体心智两个层次分别实现,更加符合人类社会协作模式;在群体层面,提出了复杂海洋环境下UUV群体结构的评价准则,并据此将MAHA与现有结构进行了对比分析.此外,利用面向对象的Petri网理论建立了系统的协作模型,有效降低了系统建模的复杂性.最后,水下多目标搜索使命的实例研究表明,MAHA能够保证异构UUV之间进行有效的协作.

供排气管对接机械手的机构研究与参数优化

根据水下救援作业中连接供排气管的需求,失事对象救生围壁的结构形式,遵循水下机械手机构选型原则,设计了一种专用的六功能气管对接水下机械手,并从机械手工作空间和轻量化要求两方面建立了机械手的数学模型,对其机构参数进行了优化设计。最后对优化结果进行了分析和工作空间的仿真。结果表明该机械手的设计能满足供排气管对接作业要求,达到了预期目的。

反水雷UUV的作战效能模型分析

针对UUV的战术技术性能和使用特点,基于WSEIAC方法建立了反水雷UUV的作战效能基本评估模型,系统地论述了反水雷UUV作战效能的定义、量度和反水雷UUV作战效能基本评估模型及效能评定所涉及的UUV可用性、可信性及作战能力的分析方法。该模型能鲜明反映UUV装备的系统效能的物理本质,并在工程应用上具有简便灵活的特点,对于设计反水雷UUV——一种未来海军必要的新型反水雷装备,具有重要的指导意义。

水下机器人的神经网络自适应控制

研究了水下机器人神经网络直接自适应控制方法,采用Lyapunov稳定性理论,证明了存在有界外界干扰和有界神经网络逼近误差条件下,水下机器人控制系统的跟踪误差一致稳定有界.为了进一步验证该水控制方法的正确性和稳定性,利用水下机器人实验平台进行了动力定位实验、单自由度跟踪实验和水平面跟踪实验等验证实验.