基于能源消耗最小的自治水下机器人—机械手系统协调运动研究

描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计.鉴于自治水下机器人—机械手系统是运动学冗余的且自带能源,因此将系统阻力优化函数引入逆运动学求解,设计了基于系统能源消耗最小的系统协调运动规划算法.仿真表明,该算法在解决系统冗余度的同时,有效地减小了系统能源消耗.

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

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。

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.

“探索者”号自治式无缆水下机器人控制软件体系结构

本文详细介绍了我们为“探索者”号自治式无缆水下机器人（以下简称ＡＵＶ）设计的控制软件体系结构。该体系结构可分为使命控制，运动监控与设备操作，实时调度和实时处理四个不同的控制层次及一个全局数据区五部分。

Estimating Oceanic Primary Production Using Vertical Irradiance and Chlorophyll Profiles from Ocean Gliders in the North Atlantic

An autonomous underwater vehicle (Seaglider) has been used to estimate marine primary production (PP) using a combination of irradiance and fluorescence vertical profiles. This method provides estimates for depth-resolved and temporally evolving PP on fine spatial scales in the absence of ship-based calibrations. We describe techniques to correct for known issues associated with long autonomous deployments such as sensor calibration drift and fluorescence quenching. Comparisons were made between the Seaglider, stable isotope (13C), and satellite estimates of PP. The Seaglider-based PP estimates were comparable to both satellite estimates and stable isotope measurements.