ROV模糊控制导航方法

本文提出一种水下 ROV(Remotely Operated Vehicles)的模糊导航方法和基于该方法的控制器结构 .通常由于水下环境光照不足或是水质混浊 ,很难依赖摄像机准确地为 ROV导航 ,引导 ROV到达预定目标 ,尤其是工作空间存在障碍物时 ,ROV很可能发生碰撞 .文中提出的模糊控制方法 ,将 ROV在 3D空间运动的状态、局部环境信息以及导航规划数据表示为多重模糊条件 ,然后结合 ROV的导航特点 ,建立了一个三级模糊控制器 ,该控制器使用同一种控制模式完成 ROV有障碍和无障碍的导航任务 .仿真实验结果验证了所提出方法的有效性

微型ROV控制装置及控制方法

介绍了一种基于嵌入式ARM9技术的微型ROV的控制装置及控制方法。该装置可以同时进行两通道串行通讯,实现微型ROV的视频信号、潜水深度、艏向角度、纵倾角度、横摇角度、电子舱温度等数据的采集和与上位机的通讯传输;该装置可以采集16路模拟量信号和12路数字量信号,输出4路模拟量信号和12路TTL电平信号,实现推进器、水下灯、水下摄像机、云台等ROV功能器件的驱动。该装置具有通讯能力强、集成度高、功耗低等特点,可以满足微型ROV所有的常用功能要求。

基于Windows的大型ROV控制系统软件设计

针对Windows越来越能满足实时控制系统这一情形,本文在分析大型ROV控制系统的实时性基础上,进行了基于Windows的大型ROV实时控制系统软件设计,并给出了实际应用结果。应用结果表明,该控制系统软件运行稳定、可靠,很好的完成了对大型ROV的实时控制。

超短基线定位系统在ROV动力定位中应用的可行性研究

以英国 Sonardyne公司的超短基线 (Ultra- Short Base L ine)为研究对象 ,研究了该系统在各种情况下的重复定位精度 ,以及将该系统应用于水下机器人动力定位的可能性 .实验结果表明 ,即使存在姿态偏差 ,如果通过姿态传感器进行动态补偿 ,该系统仍能获得很好的重复定位精度 ,可以满足水下机器人动力定位的需要

18.7”AX/VX型钢圈取放器——一种ROV携带的水下作业工具

目前,ROV(无人遥控潜水器)在水下工程和海洋石油工业上得到了广泛应用。ROV是通过各种水下作业工具来完成相应的作业任务。本文介绍了一种ROV携带海上石油钻井平台需要的新型水下作业工具一钢圈取放器。

ROV推进系统故障检测及容错控制研究

遥控水下机器人( ROV )工作在未知的不确定的复杂海洋环境中，其机械部件和控制系统极易出现故障。推进器是ROV的动力装置，对ROV完成水下作业，顺利回收起着至关重要的作用。推进器经常受到水草、异物的干扰而损坏，同时其内部的机械和电子组件也因老化、发热、受力而容易损坏，因此推进系统故障是ROV经常发生的故障之一。故障检测是提高其推进系统可靠性的重要环节，为ROV的容错控制和紧急回收等应急措施提供科学依据。ROV的容错控制对提高ROV的可靠性和机动性有着重要的意义。 针对ROV推进系统的特点，本文研究了ROV推进系统的系统辨识，故障检测和容错控制问题。 本文给出了一种基于控制量输入的ROV模型辨识方法，减小了辨识的工作量。该模型以螺旋桨驱动电机的电压控制量为输入，以各个自由度的运动状态为输出，不需进行螺旋桨推力标定。针对这种辨识方式，本文给出一种ROV系统辨识的非线性模型和简化的线性模型，对于相应的模型设计了辨识方法。通过实验验证了模型和方法的有效性。 针对ROV的故障检测问题，给出基于模型与推进电机电流的故障检测方法，设计了故障检测策略，实现对故障的分离和定位。通过模拟故障实验验证了方法的有效性。 针对ROV推进系统容错控制分配问题，本文提出了基于SVD分解(奇异值分解)与定点分配的混合算法。与传统的方法相比，它回避了求伪逆矩阵的问题，减小了计算量；能够满足推进器饱和约束限制。利用水下实验平台的推进系统模型进行了仿真实验，验证了算法的正确性和有效性。

基于ROV援潜救生自主作业方法研究

利用ROV代替潜水员进行潜艇供排气管对接作业是援潜救生的发展趋势，其中供排气管对接技术是为失事艇员提供生命保障的关键技术。由于水下作业环境比较复杂以及水下作业难度大等特点，人工遥控ROV进行援潜对接供排空气管作业过程中，还停留在只是能够打开潜艇供排气系统花甲板盖的工作上，还没有实现对类似接通供排空气管精确作业的工作。受到海流、风浪、失事潜艇周围较大涡流、供排气管的拖曳阻力、水下可视条件以及高精度定位等因素的限制，作业任务越复杂，要求ROV系统上机械手精确定位精度越高，操纵的难度也越大，由人工操作很难实现。在现有ROV人工操作的基础上，使ROV系统具有自主作业功能，更能发挥其在对接空气管作业中的能力，提高作业效率，缩短救援时间，因此本文在现有ROV基础上扩展预编程自主控制驾驶功能模块即ROV-A系统，借助预编程技术ROV-A系统在对接空气管作业中的一些特殊任务时能够实现自主作业功能。 本文结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人中心未来援潜救生关键技术研究内容，针对为失事潜艇接通空气管作业中的一些关键技术，开展基于具有自主作业能力的ROV-A系统自主作业方法研究，深入研究了具有自主作业能力ROV-A系统的运动规划与协调控制技术以及水下作业力控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与期望力跟踪；针对潜艇供排气系统的已知结构研究了水下目标定位技术，为对接空气管的特定需求发展具有自主作业能力的水下作业技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与多性能指标实现归一化问题；研究基于系统动力学模型误差的系统位姿控制问题；研究基于阻抗力控制水下作业目标定位问题；在系统运动规划与控制研究的基础上，研究能实现机械手末端精确轨迹跟踪的控制策略问题以及力控制问题。本论文研究内容如下： （1）根据ROV-A系统特点，从描述系统的空间位置和姿态着手，研究了ROV-A系统的空间运动学与基于Kane方法的动力学，得出载体基座自由运动模式的系统空间运动数学模型，为论文后续研究工作奠定了基础。 （2）针对对接空气管作业中的一些高精度和复杂的作业，研究了系统作业时的运动规划问题。针对系统运动学冗余、作业规划约束性能指标多，例如机械手可操作性，关节限制，载体的姿态，避障等等，结合梯度投影法和最小范数伪逆矩阵法以及任务优先逆运动学方法，引入模糊控制技术，将模糊控制的定性知识表达与任务优先逆运动学算法相结合，以水下作业末端位置控制及轨迹跟踪为前提，对系统运动分配、关节限位、避免奇异有无海流下的系统性能优化等运动规划进行了研究，仿真证明运动规划算法的有效性。 （3）研究了基于动力学模型的系统基本控制问题。针对系统动力学模型的复杂性和不精确性，在基于载体输出反馈控制的基础上，设计了基于输出反馈自适应控制算法，通过自适应学习的方式直接逼近系统动力学方程状态量之间的非线性关系，在外界不停扰动下逐渐提高系统的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和自适应逼近误差条件下ROV-A系统控制器的闭环稳定性；通过仿真实验验证控制系统的有效性，为系统的控制提供了一种新思路。同时在基于位置运动控制的基础上引入了力控制，通过对常规PID外环力控制器基础上的改进，在系统离线规划的前提下实现力与位置控制的解耦，通过仿真验证期望力的稳定跟踪。 （4）研究了基于ROV-A系统阻抗力控制的水下矩形围壁环境约束的位置定位方法。通过在对具有先验知识的矩形围壁环境约束的学习理解基础上，应用外部阻抗力控制环包容内部位置运动控制环的控制策略。利用力传感器的反馈信息变化确定系统末端执行器与约束环境的接触特征点，根据环境的先验知识推理出环境定位信息。通过计算机仿真实验验证了水下具有先验知识环境的定位方法和ROV-A系统的控制策略的有效性。仿真结果证明定位方法和控制策略是可行的。 （5）结合系统控制，分析了系统在为失事潜艇对接空气管作业中的恒定和时变两种期望力输入作业模式，提出了基于在线运动规划下外部力控制环包容内部位置环控制方法，利用ROV-A系统完成了为失事潜艇自主对接空气管中两个典型作业。介绍了整个控制方法的组成和执行过程，分析了综合控制策略，最后通过仿真实验分析了综合力控制方法的性能，包括恒力和时变期望力输入进行了深入研究。

深海ROV铠缆绞车及主动升沉补偿装置设计研究

深海ROV是一种可以在深海进行观察和作业的水下机器人。其研究和开发，对海洋环境的调查，海洋资源的钻探以及军事应用方面都具有重要的意义。深海ROV收放在深海区域收放作业时，作业环境复杂，作业深度大，如果铠缆绞车采用单卷筒结构会存在驱动装置功率过大，卷筒的转动惯量过大，载体出水的瞬间铠缆外层压入内层等问题。另外，海面的海况条件比较恶劣，支持母船受风、浪、涌、流影响而产生较大幅度的升沉运动对有缆水下机器人正常作业和收放操作有较大的影响，ROV中继器的升沉运动甚至可以造成系缆的损害而使机器人本体丢失。为了提高ROV在恶劣海况下的安全性能，保护中继器与载体之间的系缆不受损坏，需要配备升沉补偿装置。所以深海ROV铠缆绞车及其升沉补偿装置的研究与设计，对实现深海ROV的收放及保障系统安全及各项关键技术的进一步研究具有重要的意义。 本文在863计划“基于母船升沉预测的深海装备主动升沉补偿测控单元的研究开发”资助下，结合7000m ROV收放操作和升沉补偿的要求，开展深海ROV铠缆绞车及其主动升沉补偿装置的设计研究。针对深海ROV收放作业时，ROV铠缆绞车需要具有ROV快速收放能力及升沉补偿能力，设计适合于深海ROV收放作业的铠缆绞车。本文重点研究适合于深海ROV铠缆绞车的双绞车结构形式；研究双绞车的受力分析，驱动装置的选型；设计深海ROV铠缆绞车的储存绞车和牵引绞车；设计用于深海ROV铠缆绞车的主动升沉补偿装置。本文的主要内容如下： （1）研究深海ROV铠缆绞车的结构形式。分析了如果深海ROV铠缆绞车采用单卷筒结构存在转动惯量过大，驱动装置功率过大，在出水的瞬间铠缆外层缆压入内层等问题，提出了双绞车结构。分析了双绞车的组成，布置及其作用原理，各部件的组成及作用原理。 （2）研究深海ROV铠缆绞车的受力及所需要的功率。利用微元分析，求解出深海ROV牵引绞车每个绞盘提供的摩擦力，从而求出各绞车驱动装置需提供的最大驱动力矩和功率，作为驱动装置的选型依据。 （3）设计深海ROV铠缆绞车。通过类比以前的绞车系统，理论计算，初步选定储存绞车及牵引绞车各个部件参数。采用SolidWorks进行三维建模后，采用ANSYS进行有限元分析，通过计算机仿真技术克服理论计算的缺陷，对各个部件进行强度校核及结构优化。 （4）设计主动升沉补偿装置。根据升沉补偿装置的技术指标，通过理论计算确定升沉补偿装置各个部分结构形式和参数，并进行了三维建模、通过有限元分析对各个部件进行强度校核，最后分析了超长缆释放时自身的张力对绞车定位的影响。 通过以上研究，设计出符合7000m ROV收放作业要求的深海ROV铠缆绞车及其升沉补偿装置，为7000m ROV的实现和收放技术的研究奠定了良好的基础。

深海微型ROV耐压控制系统研究与实现

微型ROV能够搭载在7000米载人潜水器上，与载人潜水器组成子母式系统，配合载人潜水器完成较为复杂的任务。它自带能源，运动灵活，携带摄像机及多种传感器，可以在载人潜水器不能或不便进入的狭小复杂区域开展工作，有效扩展了载人潜水器的工作范围；紧急情况下，微型ROV还能够触发载人潜水器应急抛载装置，帮助潜水器脱离险境，最大限度保证水下人员安全。 传统技术上，为防止海水的腐蚀和压力的破坏作用，构成水下机器人控制系统的电子设备均被安装在高强度的耐压壳体中。然而，随着水下机器人工作深度的加大，耐压壳体的体积和重量都将大幅增加，壳体的加工、装配和密封难度也会显著上升，严重影响了整个系统的稳定性和可靠性。为避免上述弊端，微型ROV将采用耐压电子技术来搭建控制系统，并将整个系统置于油液补偿的薄壁电子舱中。电子舱内外几乎没有压差，外界压力完全由舱内电子设备来承担。 为实现上述耐压控制系统，唯一的方法就是进行大量的相关试验，筛选出能够耐压的元件、模块和系统；对于不能耐压而又无可替代的个别元件，设计一套方案，对其单独进行耐压处理。 本文在充分研究微型ROV控制系统特性的前提下，提出了一套从重要元件、功能模块到试验系统，循序渐进的试验方案，其可行性在实践中得到了验证。以该方案为指导，一系列压力试验陆续展开。试验对象包括电阻、电容、电感和二极管等重要元件，锂离子电池和电压调节电路等功能模块，以及C8051F040单片机最小系统和载体控制系统核心板等试验系统。 试验结果表明：绝大多数常用元件、模块和系统在压力环境下工作正常，参数变化量没有超出允许的范围；只有晶振等少数薄壁空腔结构的元件不能耐压，需要经过特殊处理才能使用。对于这样的元件，本文设计了行之有效的处理方案，排除了若干技术障碍，取得了良好的实际效果。 压力试验和耐压处理有效解决了微型ROV电子设备的耐压问题，为耐压控制系统的设计和实现奠定了基础，具有一定的借鉴意义和较高的实用价值。

遥控潜器(ROV)水下作业工具系统

随着海洋开发和海洋工程的发展和计算机及电子技术的成熟,无人遥控潜器(ROV)在海洋工程和救助打捞中起到更加重要的作用。ROV 是通过各种水下工具来替代潜水员完成水下作业的。本文主要介绍目前用于 ROV 上主要水下工具的种类、用途、动力系统及控制方式。

虚拟监控遥操作水下机器人控制系统的研究

随着海洋科学考察和水下工程的日益增多，人类的研究趋势不断地向海洋深处发展。然而，水下环境与陆地和空间环境相比更加恶劣，对人类的威胁更大，因此水下机器人作为人的替代者，正在越来越多地在实际水下操作中应用。传统的水下机器人是采用主从遥操作控制，陆地上或母船上的操作员借助水下摄像机观察机器人的工作情况，通过主手或操纵杆操纵机器人，这种工作方式已不能满足当前水下作业的需要，所以研制具有高效率、高操作精度的水下机器人系统成为当今机器人领域的研究热点。本论文的研究内容是国家“863”高技术计划研究项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，以水下机器人检查海底石油钻井平台导管架焊缝的实际工作为背景，建立了一个完整的水下机器人实验系统，详细研究了虚拟遥操作控制、机器人监控控制及ROV(Remotely Operated Vehicles)模糊控制导航方法，并将这些控制方法应用到所建立的机器人系统中，完成实际操作实验。为了解决运动学逆解无解析解一类机械手的实时控制问题，本文提出一种适合于实时求解的算法--“跟踪搜索算法"，并使用该算法实现了5DOF水下机械手的运动学解算和实时控制。水下机器人载体ROV的导航问题一直被研究者们关注，在水下机器人控制中占重要地位。本文提出一种模糊控制导航方法，使用统一控制模式实现ROV在3D空间的导航，避免了ROV水下导航中多模控制切换点难以确定和切换过程造成ROV波动的问题。根据对ROV和机械手运劫特征的分析，以及水下环境的先验知识，建立了机器人和水下环境的虚拟模型。为了适应机器人在非结构化环境中工作的要求，提出“交互虚攒建模”方法，在环境发生变化时，重新建立虚拟环境模型，使虚拟环境反映真实环境的变化。在此基础上，建立了一个多功能虚拟仿真平台。监控控制是目前水下机器人最好的控制方法，本论文将虚拟现实技术应用在机器人监控系统中，提出虚拟监控系统的双层结构，发展了监控思想。研究并实现了四种虚拟监控控制方法：(1)基于虚拟显示的控制方法，(2)基于虚拟视觉的控制方法，(3)虚拟层任务规划，(4)虚拟投射控制。将上述各部分集成，设计并实现了虚拟监控遥操作控制系统，以该控制系统为核心，连接真实水下机器人和视觉系统，建立了虚拟监控遥操作水下机器人实验系统。本论文提出的系统结构、虚拟建模方法、模糊导航方法，虚拟监控控制方法均应用到机器人实验系统中。实际操作结果和仿真实验结果验证了所提出的虚拟监控系统结构的合理性，方法的正确性，体现了这些结构和方法的先进性。该实验系统和上述实验结果作为“863”项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，通过了专家组的验收，得到专家们的肯定。此外，为了适应开展网络遥操作研究的需要，本论文基于Internet网络技术，建立了机器人的网络通讯框架，使本论文中建立的机器人系统具有网络扩展性。论文的研究工作为研制可实用的高性能水下机器人系统奠定了基础，研究成果对水下机器人遥操作具有理论指导意义，为其实际应用提供了技术实现的途径。

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。

有缆水下机器人主动升沉补偿控制研究

针对母船的升沉运动影响有缆水下机器人的释放与回收的工程实际需求,提出了利用液压绞车降低中继器的升沉速度来实现水下机器人主动升沉补偿控制的方法,来提高水下机器人释放与回收的安全性能。建立液压绞车的数学模型并设计主动升沉补偿前馈控制器。水下机器人主动升沉补偿实验表明液压系统的非线性降低了液压绞车主动升沉补偿前馈控制的升沉补偿效率。针对液压绞车的非线性特性,设计了液压绞车主动升沉补偿预测控制算法,仿真实验表明基于液压系统参数辨识的液压绞车主动升沉补偿预测控制可以得到较高的升沉补偿效率。

一种遥控潜水器控制系统的研究与应用

介绍一种基于工业以太网通信技术及Windows平台构建的遥控潜水器控制系统.将该控制系统应用于最新研制的遥控潜水器中,其在通信能力、视频传输、控制性能、硬件的可扩展性、数据的存储与显示等多方面都比传统的控制系统具有明显的优势.在水池中进行了试验,验证了该控制系统及整个潜水器良好的运动功能和性能.

一种遥控水下机器人视频监控系统

本文介绍一种应用在遥控水下机器人上的视频传输与监控技术。采用光多路复用器实现水面与水下的数据及视频传输,通过工业以太网实现整个系统的摄像机及灯光控制,并对传输到水面视频信号进行显示、叠加及存储。该技术成功的应用在新开发的遥控水下机器人中,效果良好。