模块化自主水下机器人的机械设计与实现

介绍了一种具有基本航行能力且可扩展其他功能的模块化水下机器人.利用3维设计软件Solidworks及计算流体力学软件CFX对外形进行分析优化,降低水下机器人的功耗;对各功能舱段及段与段的连接形式采用模块化设计,结构简单,便于更换维修;此外还对耐压壳体强度及稳定性进行了理论计算及软件仿真.湖试证明,该水下机器人利用自身携带的传感器可以完成基本航行功能,包括自主定向航行、自主定速航行、自主定深航行、位置闭环航行等功能.     

业界动态

沈阳自动化所研制成功长航程水下机器人2月底,由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的远程自治水下机器人演示样机圆满结束湖上试验。经多次试验表明,该样机可连续航行数十小时、续航能力达数百公里,创造了我国自治水下机器人单次航行时间和航行距离的新记录。机器人系统主要技术指标均达到设计要求,并在控制系统体系结构、自主航行控制与精确导航定位、新型声纳、大功率燃料电池和锂电池应用等多项关键技术取得新突破,标志着沈阳自动化所远程自治水下机器人的总体技术跻身于国际先进水平。沈阳自动化研究所是我国最著名的机器人研究单位,…     

沈阳自动化所研制成功长航程水下机器人

2月底，由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的远程自治水下机器人演示样机圆满结束湖上试验。经多次试验表明，该样机可连续航行数十小时、续航能力达数百公里，创造了我国自治水下机器人单次航行时间和航行距离的新记录。机器人系统主要技术指标均达到设计要求，并在控制系统体系结构、自主航行控制与精确导航定位、新型声纳、大功率燃料电池和锂电池应用等多项关键技术取得新突破，标志着沈阳自动化所远程自治水下机器人的总体技术跻身于国际先进水平。     

通信距离约束下异构水下爬游机器人任务分配

为了保证执行任务的水下爬游机器人之间时刻保持信息交互,提出了一种带通信距离约束的异构水下爬游机器人集群任务分配方法;首先,建立了异构水下爬游机器人集群的任务分配数学模型;其次,分析了多水下爬游机器人通信距离、航程等约束条件;最后,采用蚁群优化算法对异构水下爬游机器人集群的任务分配问题进行求解,在满足约束条件情况下实现了多爬游机器人总航行距离最短;仿真验证了该方法在通信距离约束下实现多水下爬游机器人任务分配的有效性.     

基于MSP430的遥控无人水下航行器控制系统设计

针对某型遥控无人水下航行器,给出了总体结构和系统组成;在此基础上,基于MSP430微控制器,给出了某型低功耗的无人水下航行器控制系统的总体设计方案,采用H桥电路实现对航行器电机的控制,用nRF905单片无线收发器进行通信实现遥控控制,并进行了软件的详细设计与调试。水池试验结果表明,某型无人遥控水下航行器以约0.5m/s的速度前进时,运行情况良好,并基本实现了拐弯、下潜和上升等各预期功能,最后得出了该控制方案是可行的结论。     

水下航行器轨迹跟踪控制与仿真

为了使水下航行器按照预定的轨迹运动,需要水下航行器的控制系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,因此该文提出了采用横向轨迹误差法和视线法组合导引的基于滑模的水平面轨迹控制方案,针对“211AUV”自治式水下航行器,给出了简化的水下航行器水平面运动模型,分别给出横向轨迹误差法和视线法的滑模控制方程。并分别对横向轨迹误差法、视线法以及横向轨迹误差法和视线法组合导引法三种方法进行仿真分析,最终的仿真结果表明横向轨迹误差法无法单独完成轨迹导引,视线法的轨迹跟踪误差较大,而横向轨迹误差法和视线法组合导引法具有良好的轨迹跟踪能力,能够保证水下航行器进行各种循迹航行任务。     

基于PC104的水下航行器导航系统设计

导航系统是水下航行器的重要组成部分,为了实现水下航行器的精确导航,采用了以PC104工控计算机为核心、GPS定位和惯性导航相结合的导航系统的改进方案,给出了导航系统的工作原理及基本硬件组成,介绍了惯性测量单元、GPS、电子罗盘等传感器与主控计算机进行通讯的各个软件模块的功能,并使用了异步卡尔曼滤波器进行数据融合与航位推算;该系统在提高导航精度的同时还具有通用性,可适用于不同类型的水下航行器。     

仿生六足爬行机器人运动控制技术研究

在对生物神经系统结构与功能进行分析和借鉴的基础上,采用模块化分散递阶控制技术对仿生六足爬行机器人进行实时控制,解决了仿生六足机器人实时精确运动控制的问题,并在机器人关节控制模块中运用了模糊小波神经网络控制,实现了机器人肢体运动的快速精确跟踪;通过Matlab进行的轨迹跟踪仿真试验证实：机器人步行足的运动轨迹与期望曲线基本吻合,具有较好的跟踪特性,且误差曲线快速收敛,静态误差趋近于零;由此表明,该机器人控制系统可靠性高,实时性强,具有较好的动、静态特性,以及良好的抗干扰能力和自适应能力,克服了传统控制方法存在的控制模型难以建立、对环境适应能力差等缺点,为仿生六足爬行机器人的进一步研究奠定了坚实的基础。     

舵桨联合操纵微小型水下机器人的开发

介绍了一种舵桨联合操纵的微小型水下机器人．该机器人装有左右布置的两个主推进器、可调攻角水平舵和垂直稳定翼．配合所搭载的深度计、磁罗经等传感器和控制计算机,可实现水下定深定向航行,并可由TV和声纳探测水下目标．其航行与探测能力得到了试验验证．     

基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人设计与实现

以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景,主要研究其设计与实现问题．首先,介绍了仿生水下机器人试验模型的设计原则及其系统总体结构,然后重点研究了仿生柔性长鳍、主控模块与通讯系统、运动控制子系统的设计方法、系统构成和工作原理,最后介绍了试验模型的系统测试与航行试验结果及其结论,并指出了仿生水下机器人试验模型的改进重点和柔性长鳍波动推进技术今后的研究方向．基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型的研制成功,初步验证了柔性长鳍波动推进方式应用于水下机器人推进控制系统在原理上和技术上是可行的．     

水下机器人圆概率偏差的有效预报

在水下机器人设计过程中,对于导航精度设计指标无法用物理实验进行验证。如何有效预报圆概率偏差(CEP)成为了亟待解决的问题。采用直线航路模型,对误差源在直线航路上引起的导航误差进行定量分析,推求各误差合成后的纵向误差和横向误差表达式,建立水下机器人圆概率偏差迭代方程,求得圆概率偏差预报结果。推导结果表明横、纵误差之比小于0.7时可保证圆概率偏差不大于前两者之中的大者。该方法与实际实验结果吻合,表明提出的导航误差分析和圆概率估算方法是有效的,可准确预报水下机器人导航精度。     

多水下机器人视景仿真系统技术研究

该文介绍了多水下机器人群体分佰式智能控制软件的视景仿真系统。以MultiGen Creator建模,利用实时视景开发软件包OpenGL Performer,采用POSIX Thread多线程技术,在Linux环境下开发了分布式多水下机器人三维视景仿真平台。实现了多水下机器人分布式智能控制软件系统的实时视景仿真,保证了整个系统的信息共享与时间同步。同时该文讨论了该视景仿真软件的开发过程以及整个系统的体系结构和信息流程。试验结果表明,该视景系统可逼真演示多水下机器人编队水下航行、作业等过程,并满足系统仿真的实时性要求。     

考虑状态约束与执行器饱和的水下机器人轨迹跟踪控制

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设计一个非线性观测器进行估计并用于对控制器进行扰动补偿;接着,引入执行器饱和补偿系统、二阶滤波器以及滤波器误差补偿系统,设计命令滤波反步滑模控制器来控制水下机器人的水平面轨迹跟踪;最后,严格验证命令滤波反步滑模控制器的稳定性并进行数值仿真,验证所提出控制器的有效性.     

带槽道桨水下机器人阻力特性的数值分析

自治水下机器人在低速航行时,单靠操舵方式难以保证其机动性。特别是作业过程中需要进行水下悬停定位时,经常会使用槽道桨。槽道桨在载体上形成贯穿式的孔洞结构,影响水下机器人直航过程中的阻力特性。本文借助流体动力数值仿真计算软件CFX,对槽道孔洞尺度改变、轴向位置改变时,水下机器人航行阻力所受到的影响进行了数值分析。数值分析得到的结论,对水下机器人槽道桨的工程设计和优化具有参考价值和指导作用。     

水下航行器控制系统半实物仿真

该文提出了一种水下航行器控制系统半实物仿真结构,介绍了仿真数学模型与仿真算法,并给出了水下航行器控制系统半实物仿真实例。实航试验结果表明半实物仿真与水下航行器控制系统实际航行结果基本接近。     

小型自治水下机器人控制系统研究开发

开发了一种性价比高的CAN总线分布式自治水下机器人控制系统结构,并采用了独特的故障处理方法．根据弱耦合简化模型,详细设计了航行控制器,并对航行控制系统进行了仿真研究．仿真与试验结果表明: 控制系统性能可靠、传输率高,并具有很好的鲁棒性与稳定性,能够满足水下机器人工作环境复杂多变的要求．     

不同优先级的多水下机器人避碰技术研究

在多水下机器人之间显式通讯条件下,采用动态优先级策略成功地解决了水下机器人编队航行过程中的避碰避障问题。并建立了环境仿真器,进行了多水下机器人协调避碰仿真实验,取得了良好的效果,验证了算法的有效性。     

基于大地形管理的水下机器人视景仿真系统

研究水下机器人视景系统优化设计,针对水下机器人的航行环境具有不可接近性和未知性的特点,为创建水下海洋生物和可观世界环境,利用虚拟的计算机仿真环境作为水下机器人初期调试的“平台”具有十分重要的意义.建立了基于大地形管理的水下机器人视景仿真系统.有关大地模型建立、场景效果等,利用函数变量方法自定义机器人运动引擎,采用粒子系统仿真了机器人尾流流场和低噪音的实现.依托软件平台MultiGen Creator和Vega,利用Vega与Visual C++混合编程实现LADBM模块的大地形管理,进行仿真验证.仿真结果表明,视景仿真系统逼真地再现了水下机器人在大范围区域探测目标及自主航行的过程,有效地解决了水下机器人长距离自主航行视景仿真中的大地形管理问题.     

基于UNITY3D的水下机器人视景仿真方法

水下机器人的视景仿真在整个机器人的研制中占有非常重要的地位.一方面应用在水下机器人航行时,进行实时监控,显示机器人的姿态信息.结合海底信息,为操作员的操控提供了重要的辅助信息;另一方面也应用在测试阶段的仿真航行,它可以反馈海底的障碍信息,提供高程深度数据.本文针对水下机器人视景仿真的需要,设计了水下机器人的视景仿真方法,利用UNITY3D技术进行开发,根据实际地图数据建立海底场景,显示水下机器人在水下航行的姿态,提高了海景的渲染效果和真实程度.本方法已经实际应用于"十三五"国家重点研发计划全海深水下机器人"海斗一号"中和国家重点研发计划全海深AUV中,在论证,测试,实用等各个阶段中,该方法都具有重要意义,为水下机器人的进一步研究提供了有力支撑.     

基于神经网络的自治水下机器人广义预测控制

针对自治式水下机器人高度非线性和时变性的特点,提出了一种基于神经网络的水下机器人广义预测控制策略．利用改进型Elman网络作为多步预测模型,在对网络学习算法进行改进的基础上,实现了Elman网络的在线学习,并提出了用于求解神经广义预测控制律的灵敏度公式．进行了具有神经网络在线学习功能和不具有在线学习功能的水下机器人的速度控制实验,并就预测控制效果进行了对比分析．实验结果表明,具有自适应学习功能的水下机器人速度控制法的精度要优于不具有在线学习功能的速度控制法,且当水下机器人动态特性发生变化时具有较强的自适应能力．