AUV自主导航航位推算算法的研究

对AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)自主导航的航位推算算法做了进一步研究并加以改进,以提高其自主导航精度.然后,利用AUV湖试所获得的数据,对本文提出的修正算法进行了验证.结果表明, AUV的自主导航精度得到很大提高,可以用于修正原来的自主导航算法.

无缆自治水下机器人控制方法研究

以成功研制的无缆自治水下机器人 (AUV)为基础 ,对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析 .同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法 .最后展示了它的运行实验结果 .

AUV内部通讯总线设计

设计了基于CAN协议的AUV内部通讯总线系统 .系统通过协议转换器的模块化、可配置性设计满足AUV系统对其内部通讯总线的开放性要求 .协议转换器内部的容错处理能力以及紧急事件处理节点的设计为增强AUV系统的可靠性和容错能力、为避免AUV在深海工作环境下丢失增加有力的保障措施

自治水下机器人实时仿真系统开发研究

针对自治水下机器人 (AUVs)开发和研究中的瓶颈问题 ,该文开展了AUV实时仿真系统的研究工作。该文提出了采用半实物实时仿真模式 ,建立实时仿真系统平台的方案 ,并对实时仿真系统平台的硬件结构和软件结构进行了详细设计。在方案设计的基础上 ,正在进行实时仿真系统平台开发和研制工作

水下机器人神经网络自适应逆控制

水下环境的复杂性以及自身模型的不确定性,给水下机器人的控制带来很大困难。针对水下机器人的特点和控制方面所存在的问题,提出了基于预测 校正控制策略的水下机器人神经网络自适应逆控制结构及训练算法。通过在线辨识系统的前向模型,估计出系统的Jacobian矩阵,然后采用预报误差法实现控制器的自适应。同时,为了提高系统对于外扰的鲁棒性,在伪线性回归算法的基础上,在评价函数中引入微分项。理论分析和仿真结果表明,与原来的算法相比,微分项的引入改善了系统对于外扰的鲁棒性和动态性能。

远程自治水下机器人研究

本文主要讨论远程自治水下机器人的关键技术 ,叙述了导航、能源技术和控制系统的实现方法 ,并给出水下试验结果 ,为进一步开展远程自治水下机器人的研究工作提供了试验数据和理论依据

“CR-01”6000m自治水下机器人在太平洋锰结核调查中的应用

介绍了“CR 0 1”自治水下机器人的研制背景和系统的特点 ,以及“CR 0 1”在太平洋锰结核调查中的应用情况 ,并对所获得的数据进行了分析

自治水下机器人-机械手系统运动规划与协调控制研究

过去的五十年，自治水下机器人技术得到迅速发展，在海洋资源调查、海洋科学考察和海洋地质勘探等领域有着广泛的应用，为促进相关领域的发展做出了显著贡献。随着海洋开发和利用的活动增多和水下机器人总体技术水平的提高，利用自治水下机器人进行海洋作业逐渐受到人们的重视。作业型自治水下机器人是为了满足当前海洋领域的需求而提出的一种大深度、大范围潜航并能够自主完成水下科学考察和作业的水下机器人系统，是目前水下机器人的一个发展趋势。自治水下机器人与作业机械手构成浮游基座的多连接体系统，具有运动学冗余、动力学高度耦合等特点，高效安全的运动规划与高精度的协调控制技术是保证其自主作业的一个核心技术。 本文结合 “十五”期间国家863计划“深海作业型自治水下机器人总体方案设计”和中国科学院沈阳自动化研究所知识创新项目“新型ARV关键技术研究”的研究内容，围绕水下机器人自主作业技术，深入研究了自治水下机器人-机械手系统的运动规划与协调控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与轨迹跟踪，为深海资源开发的特定需求发展具有自主作业能力的水下机器人技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与运动实现问题；研究基于系统响应特性的机械手控制与载体控制问题；研究基于扰动模型以及不基于扰动模型的载体抗扰动控制问题；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。本论文研究内容如下： (1)根据自治水下机器人载体特点，研究了适合于载体搭载的水下电动机械手设计与控制问题。设计了谐波传动的紧凑型三功能水下电动机械手系统，包括结构设计、控制系统搭建和控制器设计，根据机械手摆动关节的幅频响应特性，设计了关节角速率PI校正控制器和双环位置控制器，并针对常参数位置控制的电压和角速率突变，研究了基于界估计的机械手位置自适应控制应用问题；实验证明了系统的可靠性和控制算法的有效性，为水下电动机械手的设计开发提供了理论支持，为论文后续研究工作奠定了基础。 (2)研究了自治水下机器人-机械手系统的运动规划问题。建立了系统运动学方程和系统仿真模型；针对系统运动学冗余、载体流线外形、自身携带能源等特点，结合梯度投影法和加权伪逆矩阵法，以机械手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、有无海流下的系统能耗优化等运动规划进行了研究，仿真证明了运动规划算法的有效性。 (3)研究了一自治水下机器人-机械手系统的基本控制问题。利用沈阳自动化研究所的ARV载体，结合本文设计的三功能水下电动机械手，搭建了水下机器人-机械手实验系统；对载体分系统自身的响应特性以及对机械手扰动的响应特性进行了测试和分析；设计了基于输入补偿和机械手扰动补偿的复合校正控制算法，在有限的传感器条件下，通过测量变换获得了两种补偿控制算法中的近似补偿项，水池实验证明了算法的有效性。 (4)针对机械手扰动和载体推进器推力模型的复杂性和不精确性，在基于载体输入补偿控制的基础上，设计了神经网络自适应控制算法，通过自学习的方式用神经网络直接逼近载体控制电压与机械手扰动状态量之间的非线性关系，在机械手不停扰动下逐渐提高载体的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和神经网络逼近误差条件下水下机器人-机械手系统载体控制器的闭环稳定性；通过水池实验验证了控制系统的有效性，为水下机器人-机械手系统载体分系统的控制提供了一种新思路。 (5)结合系统控制，通过水池实验分析了离线规划与在线规划下的机械手末端轨迹跟踪特点，针对几种典型情况，提出了自治水下机器人-机械手系统自主作业的几种控制规划策略，通过机械手末端跟踪典型轨迹的水池实验，证明了所提策略的有效性，实现了系统规划、控制共同作用下的机械手末端轨迹跟踪，在配置环境感知传感器的情况下，能够实现一定程度的自主作业。

自主水下机器人实时避碰方法研究

自主水下机器人（AUV）要在复杂未知环境中自主作业，实时避碰是一种必不可少的自我保护能力。同时，能自动检测、识别、避开障碍也是AUV拥有“智能”的重要体现。因此，无论从实际应用前景还是从理论研究意义方面看，AUV实时避碰方法都具有重要的研究价值。 能使AUV像鱼儿一样自主地规避障碍一直是研究者追求的理想目标。但是，现有研究成果多倾向于AUV单个平面（水平面或垂直面）的避碰方法研究，而忽略了AUV是在三维空间运动的载体。在对现有AUV实时避碰方法进行深入分析和研究的基础上，本文提出了水平面和垂直面相结合的三维实时避碰方法，并针对以测距声纳为避碰传感器的一类远距离航行AUV，重点研究了三维避碰实现中的四个基本问题：一是如何从含有虚警的传感器原始数据中提取障碍信息；二是如何根据障碍信息决策规避行为；三是如何避免实时避碰行为陷入死循环或局部陷阱区域；四是如何评价和验证AUV实时避碰性能。 本文的主要研究内容及研究结论概述如下： 首先，针对测距声纳在实际应用中普遍存在的虚警和伪值问题，研究了基于D-S证据理论的数据融合方法。该方法包含4个部分：测距声纳模型、环境建模、一致性决策规则和证据融合。根据测距声纳和AUV的特殊性，本文分别提出了一种可根据载体航行速度和转动角度实时调整置信区域和基本可信度分配的测距声纳动态模型、基于灰数概念的一致性检验规则和基于确定性比例的冲突值分配方法。仿真和试验数据表明：基于D-S证据理论的数据融合方法比正则化方法、贝叶斯方法具有更高的检测概率和更低的漏检概率，能有效消除虚警信息、生成静态障碍环境的证据地图。 其次，从运动规划和路径规划两个层次研究了AUV三维实时避碰方法。在运动规划层，AUV要对视野内的障碍做出即时、准确的响应。这个响应包括改变航向、深/高度和降低航行速度。本文从多输入多输出模糊系统解耦设计的角度，将三维避碰行为分解为水平面和垂直面避碰行为，分别设计了2个双输入-单输出的模糊控制器；然后引入基于有限自动机的离散事件动态系统分析理论，建立了三维避碰过程有限自动机和基于事件反馈的监控器自动机；该自动机实现了水平面避碰行为、垂直面避碰行为、水平面和垂直面相结合的三维避碰行为之间的自主切换。 由于运动规划层的实时避碰行为存在“短视”的缺陷，要使AUV彻底摆脱当前障碍、逃离陷阱区域、避免出现死锁现象，需要在更高一级的路径规划层建立实时规划模块，负责根据离线地图和已获得的在线地图规划出远离障碍的优选路径。为此，本文研究了基于免疫遗传算法的实时路径规划方法。主要改进措施包括：提出以路径段数划分种群的小生境技术；采用细胞克隆和遗传操作并行搜索的策略；建立一组更适于AUV实时路径规划特殊性的适应性函数；利用疫苗接种机制改善抗体群质量。仿真实验表明：所提出的免疫遗传算法在收敛性能方面优于遗传算法和免疫算法，能满足AUV实时路径规划模块的要求，能实时产生避开复杂障碍的有效路径。 再次，本文第五章用上述测距声纳数据融合方法、模糊避碰规划方法、实时路径规划方法构建了AUV实时避碰系统，并在多功能半物理仿真平台上开展了仿真实验研究。多种典型单个和多个障碍场景的仿真实验全面演示、验证了AUV水平面、垂直面和三维的避碰能力，同时证明：基于事件反馈监控的模糊避碰规划方法能够引导AUV通过大部分复杂的未知障碍区域；基于免疫遗传算法的实时路径规划方法不仅能在线规划出远离障碍的优选路径，而且能帮助AUV逃离陷阱区域；所构建的AUV实时避碰系统能够实现AUV连续、稳定的三维实时避碰过程。另外，所提出的模糊避碰规划方法已在实际AUV上得到应用，并通过了湖上试验验证。 最后，研究了AUV实时避碰系统的评价和验证问题。共有三项成果：一是从系统工程角度创新性地提出实时避碰系统三维结构模型；二是建立一种AUV实时避碰能力综合评价体系，明确了单项和综合评价指标的组成因素；最后为评价和验证实时避碰系统，设计了多种典型障碍场景。 自主水下机器人实时避碰是一项极具挑战性的研究课题，本文只是针对一类欠驱动AUV、基于测距声纳研究了一种实时避碰系统的实现方法，并用仿真和试验验证了该系统的可行性和有效性。

北极冰下自主/遥控机器人控制系统设计与实现

自主/遥控水下机器人是近年来出现的一种新型水下机器人，其自带能源，通过微光缆与水面支持系统相连接，既具有自治水下机器人大范围自主航行的能力，又具有遥控水下机器人定点操作能力，提高了自治水下机器人实时获取数据的能力，扩大了遥控水下机器人的作业范围。由于自主/遥控水下机器人工作方式的灵活性和多样性，其必将会在海洋监测、军事等方面有越来越广泛的应用。 北极是反映全球气候变化的敏感地区，目前世界各国对北极的考察规模越来越大，对极地海洋的探索力度也大幅度增加。由于自主/遥控水下机器人具有灵活的工作方式，将其应用到北极冰下海洋环境监测中，便于满足北极科考的需求。本论文以科考需求为背景，将自主/遥控水下机器人应用到北极海洋环境监测中，为搭载的测量设备提供一个基本的运动平台。 本论文以实现自主/遥控水下机器人控制系统功能为目的，在深入研究已有水下机器人控制系统结构的基础上，开展自主/遥控水下机器人的控制系统软件和硬件设计与实现工作。将CAN总线与PC/104总线应用到自主/遥控水下机器人控制系统中，实现了一种分布式与集中式相结合的控制系统体系结构，将控制系统的可扩展性、实时性、可靠性等结合在一起。 以作者的实际工作为基础，介绍了自主/遥控水下机器人控制系统软、硬件的设计与实现。采用基于CAN总线技术的分布式控制系统体系结构；采用基于PC104嵌入式计算机的数字控制方案进行航行控制系统硬件设计与系统配置；采用嵌入式单片机做为分系统的控制器；在QNX操作系统下用C语言编写水下控制系统软件，采用模块化和标准化的设计思想，将水下控制系统软件分化多个功能模块，每个模块由不同的进程来实现。 实际实验结果表明，本文所设计的控制系统能够达到预期目标；所设计底层硬件系统和底层驱动软件能够给机器人的上层控制软件提供一个稳定基础。

北极冰下自主/遥控水下机器人导航与轨迹跟踪研究

将水下机器人用于极地科考，可以通过其携带的多种传感器和设备进行大范围、长时间的冰下观测作业，并取得重要的极地科考资料，如冰下水纹，海冰厚度等。而这些观测数据必须与准确的浮冰位置信息相结合才有实用价值，但北极高纬度特性和长期覆盖的大范围海冰使得一些传统水下机器人导航技术难以有效实施，所以需要研究一种能在北极冰下具有良好性能和高可靠性的导航系统。同时，对北极海冰进行的一系列科学考察，需要载体能够沿着浮冰上预定轨迹航行，但由于海流等外界影响的存在，浮冰处于实时运动中，所以要顺利完成科考任务，必须有相应的轨迹跟踪算法作为支撑。 本文正是针对以上这两点需求，在充分考虑环境特殊性的情况下，研究了水下机器人在北极冰下的导航与轨迹跟踪问题，提出了基于GPS测向仪冰面修正的水下机器人自主导航技术和基于制导控制器的浮冰轨迹跟踪方法，并进行了仿真和实物测试，试验结果表明本文所研究的导航设计方案和浮冰轨迹跟踪方法合理，可以达到北极冰下科考的定位精度和作业要求。 主要工作包括：（1）ARV导航系统设计。详细研究了各导航传感器的输出信息；坐标系定义、坐标变换、相对于浮冰的航位推算以及绝对坐标的求解；最后详细研究了整个冰下导航系统。（2）ARV导航系统误差分析。首先对各传感器的误差进行了详细分析；接着通过分析整个导航算法，建立了浮冰坐标系下ARV位置误差传递方程；最后通过引入具体传感器的参数指标，数值计算了整个导航系统的精度。（3）浮冰轨迹跟踪系统设计。首先对水下机器人在冰下的航迹进行了描述；接着分析了两种冰下制导控制器，视线法制导和横向轨迹误差法制导；最后详细研究了整个ARV航迹控制系统。（4）浮冰轨迹跟踪算法仿真。详细讨论了北极“ARV”的水平面动力学模型。并结合模型对浮冰轨迹跟踪算法进行了Matlab和视景仿真，验证了算法的合理性。（5）湖试和海试结果分析。通过对ARV棋盘山湖试和北极冰下海试数据分析，定量说明了导航误差和轨迹跟踪性能。

从有缆遥控水下机器人到自治水下机器人

文章给出了水下机器人的定义 ,依据定义进行了分类 ,简要回顾了几类重要水下机器人的进展 ,指出了无人无缆自治水下机器人 (AUVs)是当今水下机器人研究与开发的热点 ,介绍了最近 2 0年沈阳自动化研究所与国内外有关单位合作 ,在水下机器人领域从无人有缆遥控水下机器人 (ROVs)到AUVs的研究开发工作 ,它从一个侧面反映了我国在这一领域的进展情况。

小襟翼对自治式水下机器人潜浮运动的影响

无动力大纵倾角的下潜和上浮方式对自治式水下机器人具有很大的意义．但是这种潜浮方式却无法满足自治式水下机器人潜浮位置范围及航向控制的要求．采用在稳定翼上加装小襟翼的方法，即可以解决这一难题．本文介绍了小襟翼对自治式水下机器人无动力潜浮运动轨迹的影响，并通过自治式水下机器人的运动方程，结合“ＣＲ－０１”６０００ｍ自治式水下机器人的深海试验结果，对这一影响作了定性地分析．为通过试验找出最佳小襟翼提供了理论基础

“探索者”号无缆自治水下机器人的信息系统

介绍了“探索者”号无缆自治水下机器人信息系统及构成，它分为水上、水下两大部分。最后，详细介绍了水上信息系统的特点。

“探索者”号无缆水下机器人水下回收系统的设计与应用

本文详细介绍了"探索者"号无缆水下机器人水下回收系统的设计思想及电控系统的实现方法.本系统分为水上水下两部分.ROV式潜水平台型回收器,可在水下灵活运动,并可定向、定深.依靠电视跟踪技术和声纳定位技术实现回收器与水下机器人的对接.