模块化小型水下作业机器人设计及试验

提出一种模块化的小型水下作业机器人。将控制系统、推进系统、信号转换系统、全方位观测系统以及五功能电动机械手设计成独立模块。模块合理布局于机器人主框架上,模块间通过水密连接器连接,可根据不同需求调整搭载设备,快速构建出应用于不同场合的水下机器人。采用这种模块化设计方法实现了机器人设计的简单化和通用化,提高了功能上的灵活性。     

水下自主导航机器人系统

在水下机器人被广泛应用的背景下,能够实现水下自主导航的机器人具有极高的应用价值。为了打破水下机器人运行需要人为干预的瓶颈,更好地发挥小型机器人水下的灵活性,设计并制作了一种可自主导航的水下机器人系统。该系统机械上采用Pro/E作为三维造型软件,用快速成型设计并制造了水下机器人的主体;硬件上使用摄像头采集数据,并使用红外测距模块及电子罗盘模块实现定位功能;嵌入式软件层将传感器数据进行采集后,对数据进行相应的图像识别和处理,最终识别障碍物并做出相应动作;同时,数据和视频流可通过无线模块传送到上位机,上位机将数据接收后进行相应显示,并可直接显示视频流,方便调试的同时也可对水下环境进行实时监控。该系统实现了自主的水底避障、探测,以及自行返回出发点的完整功能,对于水下探测活动具有一定的实用价值。     

基于图像识别的水下机器人自主避障系统

随着人类海洋活动的发展,水下自主机器人成为海洋勘察和科学研究的重要装备。设计一种基于图像识别的水下机器人自主避障系统,在无人干预的条件下实现机器人水下自主巡航、规避障碍、上浮下潜和实时数据传输。该系统采用CMOS模拟摄像头结合LM1881视频分离芯片提取视频模拟信号,MC9S12XS128单片机外部中断功能和内部AD转换器转换成数字信号,被转换出来的数据直接使用边缘检测算法实现障碍物的识别。数字信号和视频流也会经nRF24L01无线数据模块传到上位机,上位机将数据接收后进行相应显示,并可直接显示视频流,对水下环境进行实时监控。同时无线视频采集卡的影像模块采用OpenCV库进行的二次开发,完成上位机更加复杂的图像识别算法。并通过实例进行实验验证。实验结果表明,该系统能通过图像识别实现自主的水底探测和避障,具有较高的性价比和实用价值。     

新型船用水下安全检测机器人

为了定期监视大型远洋货轮、油轮等船舶,保证港口、航道、口岸以及船舶的安全,针对自主研发的新型船用水下安全检测机器人开发了一套多功能、模块化的控制系统.该控制系统主要包括水面控制与水下控制2部分.水面控制系统采用MFC开发的上位机监控软件,采用网络通信通过脐带缆与ARM9为核心的水下控制系统通信;水下控制系统中主控芯片通过CAN总线与从控制器ARM-M0进行通信从而控制推进器、机械手及其外围设备等.采用一种改进的自适应卡尔曼滤波器,并进行ROV水下结构检测、定深、定航等水池实验.结果表明:该控制系统控制效果较好,实现了对水下机器人的远程操控.     

水下探测机器人的研发与测试

为研究水下输油管道漏油点检测方法,基于水下机器人平台设计具有自主决策的探测机器鱼,使用智能检测判断规则,并通过试验验证该方法的可行性。实验结果表明,水下探测机器人可以自作决策并有效进行水下探测任务。     

基于模糊控制的仿生机器鱼避障算法

在具有复杂性与不确定性的水环境下,针对无法建立精确的水下机器人控制数学模型问题,提出基于模糊控制的仿生机器鱼避障算法。将视线导航原理与模糊控制思想相结合,进行水下机器人路径规划。通过专家经验,设计一个模糊控制器,实时调整水下机器人的运动方向,并通过仿真实验验证该算法的有效性。仿真及实验结果表明：该算法能实时、稳定地提供水下机器人的运动路径,有效躲避障碍物,安全达到目标点。     

室内移动式浇花机器人

为减少人力资源浪费,降低人工喷洒劳动强度,提高盆栽浇水效率,实现盆栽浇水的智能化,研制一种移动式浇花机器人.其本体有移动平台和作业机构,控制系统采用嵌入式设计,集成线性CCD图像采集传感器、超声波传感器、土壤湿度检测传感器和无线通信模块等,通过巡线的形式实现对盆栽自主浇水,并对移动机器人进行运动学分析,获得运动方程.实验结果表明:该机器人运行稳定,巡线及任务操作时动作准确,能快速到达盆栽旁进行浇水,具有较好的可操作性、实用性,对室内智能化服务型机器人的开发起到了指导意义.     

基于特征增强与损失优化的水下遮挡目标检测算法

针对水下探测机器人在海洋作业时由于目标密集、形态重叠等原因容易产生误检、漏检的问题，提出一种基于特征增强与损失优化的水下遮挡目标检测算法。算法以YOLOv4骨干网络为基础，首先在随机通道上引入邻域融合的残差结构模块，通过通道注意力机制，提升通道的信息交互能力；其后，利用α-IoU优化CIoU-Loss损失函数，并采用真值排斥因子与预测排斥因子改进坐标回归损失函数，提高目标位置回归的精度；最后，针对水下图像数据干扰信息多的问题，采用基于密集度引导的自适应非极大值抑制方法完成对输出信息的处理，提升目标检测的召回率。通过对水下海洋生物的检测实验，算法在通用场景与密集遮挡场景下目标探测的mAP值分别提高了1.43%和4.4%,验证了算法的有效性。     

REMUS-600水下机器人

##正##REMUS-600无人水下机器人在海军研究局的财政资助下研制出来,以满足舰队日益增长的需求,具体是工作时间更长、起重力更大、下潜深度更深。在美国和英国海军服役,用于水雷探测,水文、水声测量,海洋测深等信息采集作业。REMUS-600无人水下机器人配置的软件和电子子系统同REMUS-100上的一样,这些软件和电子子系统在REMUS-100上得到了验证并取得了巨大成绩。     

水下机器人推进器故障融合诊断方法研究

为了对水下机器人的推进器进行故障诊断。建立了基于神经网络的水下机器人的运行状态模型及推进器的性能模型,提出了基于整体故障检测与直接故障检测的故障融合诊断的方法。故障模拟实验的结果验证了基于神经网络模型的水下机器人推进器故障的融合诊断方法的可行性和有效性。     

一种河道巡逻机器人

为了对水域进行水样实时检测并在紧急时刻可对落水人员实施紧急救助,设计一种用于在内陆水域中进 行环境监控的机器人。该机器人结构上采用分离结构设计以提高机器人抗风浪能力,控制系统采用模块化设计,主 要分为视频传输、GPS 导航、水样监测、救生装置投掷、动力驱动和控制系统6 个模块,并进行实验验证。验证结 果表明：该机器人具有机动性强、操作简单、体积小、速度快的特点,可广泛应用于内陆自然水域治理。     

一种河道巡逻机器人

为了对水域进行水样实时检测并在紧急时刻可对落水人员实施紧急救助,设计一种用于在内陆水域中进 行环境监控的机器人。该机器人结构上采用分离结构设计以提高机器人抗风浪能力,控制系统采用模块化设计,主 要分为视频传输、GPS 导航、水样监测、救生装置投掷、动力驱动和控制系统6 个模块,并进行实验验证。验证结 果表明：该机器人具有机动性强、操作简单、体积小、速度快的特点,可广泛应用于内陆自然水域治理。     

基于磁导引和2 维码定位的机器人自动导航

鉴于磁导引导航的优点,结合2 维码地标辅助定位的方法,提出一种新的轮式机器人自动导航系统。采 用模块化设计的思路设计出机器人的硬件系统,分析研究各模块的关键技术以及路径规划算法。搭建基于Data Man 及Arduino 的机器人软件平台,并在实验场地进行机器人导航实验。结果表明：该系统能实现机器人自动导航的要 求,可以作为研发平台推广应用到物流和室内搬运等场合。     

一种基于ROS 的分布式安防巡逻机器人系统

针对目前安防巡逻机器人系统中对机器人主控机负载能力要求较高的问题,设计一种基于机器人操作系 统(robot operating system,ROS)的分布式安防巡逻机器人系统。将同时定位与建图(simultaneous localization and mapping,SLAM)节点以及视觉识别节点分布于局部ROS 网络中的机器人主控机和远程监控端,SLAM 方面采用 gmapping 算法实现动态环境中的地图构建以及机器人的定位;视觉识别方面采用TensorFlow 深度学习框架,利用 TensorFlow Object Detection API 实现场景里多个物体的识别。结果表明,该系统为基于ROS 的分布式安防巡逻机器 人系统的设计提供了参考。     

一种基于多波束测深仪的水下同步定位与地图构建方法

数据库辅助导航系统（DBRNS）可以校正惯性导航系统（INS）的累积误差,是自主水下潜航器的重要辅助导航手段,但DBRNS的有效运行依赖于高分辨率的基准图。为解决这一问题,提出一种基于多波束测深仪的图优化同步定位与地图构建（SLAM）方法。该方法在通用图优化SLAM方法的前端部分增加误匹配检测模块,减少了错误闭环对结果造成的不良影响。此外,新方法将局部灰度值编码算法用于闭环检测模块以提高闭环检测的精度。基于真实海底地形图的仿真实验结果表明,相对于通用图优化SLAM方法,采用新方法对INS轨迹进行校正可以取得更高的定位精度。     

一种机器鱼水球仿真比赛裁判自动控制系统

针对水下环境的不确定性以及策略算法调试困难等问题,设计一种机器鱼水球仿真比赛裁判自动控制系统。介绍其系统框架,通过机器鱼运动学建模得到机器鱼位姿,对机器鱼进行运动控制仿真、扰动控制仿真、碰撞处理仿真、对比赛进程进行自动控制仿真等。系统并提供了实体机器鱼水球比赛相关控制接口及接口扩展功能等。结果表明,该系统能为水球仿真比赛过程中出现的犯规情况、比赛进程控制、进球判断、比赛特有规则等提供了有效的控制处理方法,还可扩展到水球仿真比赛的其他项目,或3D仿真和实体仿生机器鱼水球比赛控制系统中。     

基于水下管道巡检机器人的优化设计方案

针对传统水下管道巡检机器人设计存在的弊端,设计一款水下巡检机器人。结合前沿技术及水下智能机 器人的发展趋势,通过加载双目摄像头,实现对水下管道小范围的目标精准定位,并配合机械手远程遥控完成管道 表面异物清除及回收。结果表明：该机器人结构合理,功能完善,稳定性与操控性能良好。     

水下航行器试验航路设计与仿真

水下航行器的导航精度试验与航路的设计关系密切,为了找出最佳的试验航路,以得到真实可信的导航精度,该文通过对导航系统采用多普勒计程仪加光纤陀螺罗盘或惯导系统的仿真,分别计算直线航路、闭环航路和开环航路情况下的导航精度,以确定不同航路设计对导航精度的影响。仿真结果表明,由于导航系统的误差在环形航路中会互相抵消,使得环形航路试验得到的导航精度偏小,这与试验的本意相违背;而直线航路试验不受此影响,得到的导航精度较环形航路的大,是最接近真值的。本文首次提出了用仿真计算确定水下航行器试验航路的方法,可为水下航行器试验航路的选择提供依据。     

基于PID 算法的水中机器鱼方向档位控制方法

为了找到机器鱼在游动过程中每一时刻适应当前速度的最佳方向档位,笔者基于PID算法,提出了一种水中机器鱼方向档位的控制方法。分析PID控制原理,将其用于水中机器鱼方向档位的控制,设计出了适合机器鱼顶水球模型的PD算法,并给出了具体的实现方法和调试思路。实验结果表明:该算法有效地弥补了以往参赛者使用的算法中的不足,可以使机器鱼快速稳定地调整方向位姿,在实际应用中表现出了良好的带球游动性能。