虚拟现实在AUV运动控制研究中的应用

基于软件平台Vega和Creator开发出AUV循迹航行的视景仿真系统。研究了虚拟现实技术和AUV循迹控制相结合的技术，文中详细描述了其硬件系统的组成、系统软件的选择、模型的建立、虚拟海洋环境的生成，以及应用软件的设计与实现。仿真结果表明，该系统能逼真的演示出AUV循迹航行的全过程，并能满足不同情况下的仿真需要。     

基于对象Petri网的AUV水面监控系统建模

针对通常的模型不能同时描述自主式水下航行器(AUV)水面监控系统的静态结构和动态过程,而且在层次化、可扩充性等方面也不能满足建模需求的问题,采用对象Petri网建立了AUV水面监控系统模型.首先对AUV水面监控系统进行了分析,划分了系统对象;然后建立了适用于各个对象的不同工作模式的Petri网模型;最后给出了AUV水面监控系统的对象Petri网模型,并进行了仿真分析,仿真结果与实际过程相符合.仿真结果表明,基于Petri网建立的AUV水面监控系统具有实时性和可靠性,提高了AUV系统的自主能力和可视化能力,以及航行的可靠性和安全性.     

基于滑模方法的机器鱼运动控制

本文分析机器鱼的运动特点,以及水环境的复杂性,研究机器鱼的运动控制问题。为更好地研究机器鱼的控制方法,通过建立机器鱼的模型以及水波动力学模型的方法设计仿真控制平台,并且选择含有等效控制设计以及矫正控制设计两个阶段的滑模方法,作为机器鱼的运动控制方法。在实验中,滑模方法设计的控制规律同时控制实际机器鱼以及仿真平台中的机器鱼仿真模型,并证明运动控制方法的有效性以及该仿真平台的有效性。     

基于STM32的果实收获机械臂运动控制系统研究

为了实现果实的收割,设计了一种基于STM32处理器的机械臂运动控制系统。该系统以STM32F103微控制器为核心,完成机械臂运动控制模块的设计;利用D-H参数法研究分析多关节机械臂的正、逆运动学问题,建立机械臂的运动学仿真模型,并实现机械臂平面作业轨迹跟踪仿真,验证其运动学正逆解的正确性。基于PC+STM32运动控制模块,控制实现机械臂的运动轨迹跟踪,利用机械臂完成运动控制实验。实验结果表明该控制系统能够实现果实收割。     

基于自适应神经网络的低速AUV变质心控制

为克服低速情况下舵效低的问题,研究了自治水下航行器(AUV)的变质心控制方法.通过控制布置在AUV三个惯性主轴上的三个可移动质量块的运动,改变系统的质心,进一步改变了AUV受到的流体动力,从而实现对于AUV的控制.基于Kane的多刚体动力学理论推导变质心控制AUV的4刚体9自由度动力学模型,为设计AUV变质心控制系统奠定了基础.之后基于多输入多输出(MIMO)不确定非线性系统理论,设计自适应神经网络控制系统,并用李亚普诺夫稳定理论对该系统进行了稳定性分析.仿真验证了控制方法的合理性.     

基于CADCON的群体AUV三维仿真

近年的AUV仿真工作更多地集中于对AUV水动力学特性仿真数学模型的建立上，不能满足AUV群体协作策略级仿真的需要。CADCON是AUSI基于Internet架构开发的群体协作AUV三维水下环境分布式仿真平台，提供了可定制的虚拟海洋环境和一系列可灵活配置的AUV模型以及AUV群体行为组件开发接口。该文介绍了CADCON的功能和体系结构，归纳了基于CADCON平台进行AUV群体协作仿真的基本流程和参数配置方法，给出了Visual C＋＋环境下的AUV群体行为组件开发的基本方法，该方法的可行性已得到实验验证。     

一种基于动力学模型的高速轮式移动机器人漂移运动控制方法

针对高速轮式移动机器人,提出了一种漂移运动控制方法.首先以统一轮胎模型为基础建立了移动机器人在复杂工况下的动力学模型;针对系统模型非线性、强耦合等特点,利用反馈线性化的方法设计了一种基于动力学模型的漂移运动控制器,该控制器实现了对目标姿态角及角速度的跟踪控制;针对现有视觉、GPS等测量手段实时性差、不能满足漂移运动任务的缺点,设计实现了位置速度测量单元.仿真及实验验证了该控制器的有效性.     

AUV归航和坐落式对接的半物理仿真

为解决现有仿真系统忽略海流干扰,不能直观反映模型实时运动状态的问题,设计了一套以3维视景方式呈现的半物理仿真系统,以直观地反映归航过程中、以及以类似直升机坐落方式进行对接回收的过程中AUV(自主式水下机器人)的运动状态.利用Multigen Creator软件对AUV和水下地形环境建模,通过Visual C++调用Vega的仿真界面库实现视景仿真;运动控制部分基于B样条理论设计归航时的全局路径规划方法,通过遗传算法搜索满足欠驱动约束的全局路径;利用制导控制和执行控制分层结构设计路径跟踪控制器,其中PID(比例-积分-微分)制导律能依据海流信息自适应调整参考姿态角,S面控制律能针对状态信息和参考姿态角实现稳定、快速、准确的响应.基于试验平台,模拟了AUV从释放位置出发、跟踪所计算出的全局路径从而完成自主归航最终实现坐落式对接的全过程.结果表明:海流在归航阶段对AUV的归航路径跟踪偏差量影响较小,在坐落式对接阶段当海流与AUV艏向相对角度较大时其影响较大,甚至使回收失败.所设计的半物理仿真系统可在海流影响下规划合理的AUV归航路径以完成回收,并实时直观地反映整个过程.     

部分可观环境中AUV软件自修复模型研究

针对AUV软件在部分可观环境中的故障修复问题,依据部分可观马尔科夫决策过程理论,提出基于POMDP模型和微重启技术的AUV软件故障修复方法。根据AUV 分层结构特点设计了多层次的微重启修复方法,构建了AUV软件自修复POMDP模型,同时采用基于点的值迭代算法求解生成修复策略使系统在部分可观环境下能够以较低的修复代价执行修复动作。仿真实验验证了算法有效性和模型适用性。     

不同时变延迟下的多AUV编队协调控制

针对无领航者AUV编队协调控制问题,提出了一种不同时变通信延迟下的一致性协调控制方法;首先考虑到AUV之间水下通信存在时间延迟和数据丢失的问题,利用状态反馈线性化理论处理AUV数学模型中的非线性耦合项,从而将复杂的AUV模型转换为双积分器动态模型;其次,针对不同延迟通信情况,设计了位置和速度双独立的拓扑结构以减少编队成员之间发送每个数据包中的数据量;最后,提出了无领航者的多AUV稳定条件,进而将多AUV编队控制问题看作是一致性问题,基于Laypunov-Razumikhin定理证明时延多AUV编队系统的稳定性;该控制方法不仅能够克服不同时变延迟和数据丢失对编队的影响,使所有以随机位置和速度出发的AUV的三维轨迹均能达到一致状态,同时能抑制外界干扰;仿真结果与所提控制方法理论结果一致。     

基于仿生翼的潜器综合减摇技术研究

为了满足日益增高的潜器稳定性的要求,探讨并应用新型仿生翼来替代舵控制潜器近水面的横摇、纵摇运动.对近水面海浪干扰力、力矩进行了数值计算,以某一小型潜器作为研究对象,建立潜器六自由度运动模型,并考虑了仿真的需要对模型进行了合理的简化.针对系统特性设计模糊自适应PID控制器,并对潜器近水面运动进行仿真,仿真结果显示该种姿态...     

基于准最大最小模型预测控制的AUV视觉对接

针对六自由度自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle, AUV)视觉对接这一重要课题,提出一种基于融合深度信息的改进准最大最小模型预测控制(quasi-min-max model predictive control, QMM-MPC)方法,有效提高复杂水下视觉伺服对接系统性能.首先,针对水下AUV视觉由于能见度低导致深度信息存在不确定性的影响,建立新的六自由度AUV视觉伺服模型;然后,结合AUV运动和图像特征运动的测量数据,设计在线深度估计器,同时提出结合多李雅普诺夫函数的QMM-MPC算法,通过求取凸多面体中各顶点不同上界值,降低传统QMM-MPC算法中单李雅普诺夫函数上界所带来的强保守性;最后,通过仿真验证所提出方法的有效性和优越性.     

基于DWK的AUV分布交互视景仿真

在建立远程低速回转体AUV的六自由度运动模型的基础上,设计了AUV六自由度视景仿真系统的总体结构,并基于国产分布式交互仿真软件平台DWK对远程低速回转体AUV的六自由度运动进行了视景仿真。结果表明本仿真系统很好地模拟了AUV的六自由度水下运动情况,可以在短时间内使设计人员对AUV的六自由度运动有系统直观的认识,对研究AUV的操纵性具有重要的意义。     

基于高增益观测器的AUV水平面轨迹跟踪控制

通过研究欠驱动自治水下机器人（AUV）在水平面的运动规律,针对欠驱动AUV水平面轨迹跟踪控制中的非完整约束、模型中的耦合性和非线性、海流干扰、跟踪精度问题进行了深入的研究,运用高增益观测器结合反步控制方法对欠驱动AUV轨迹跟踪进行有效控制。定义了AUV的地面坐标系和船体坐标系,并完成了地面坐标系向船体坐标系的转换,建立了欠驱动AUV的水平面运动学模型和动力学模型。为欠驱动AUV所提出的高增益观测器结合反步控制方案,在保证跟踪系统稳定性的前提下,可以有效地提高跟踪精度,能够消除外界干扰对控制效果的影响,并使得控制输入满足实际工程的应用约束条件。控制方法的稳定性均采用Lyapunov稳定性理论加以证明,并通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。     

基于Simulink的高空空投AUV全弹道仿真系统研究

高空空投AUV（Autonomous Underwater Vehicle,自主水下航行器）是一种基于“高空反潜武器概念”而设计的基高空滑翔与水下自主航行于一体的新型水下航行器,对其全弹道的仿真是其概念设计阶段的重要内容和理论基础。根据高空空投AUV弹道各稳态阶段的运动与环境特点,分别搭建了滑翔、减速与水下阶段六/九自由度仿真模型。仿真了空投AUV在翼面组件升力作用下的自由滑翔弹道和在圆形降落组件作用下的减速弹道。设计了AUV水下偏航与深度控制器,并进行了水下闭环控制仿真,验证了AUV深度与偏航控制下沿指定轨迹航行。仿真结果表明,仿真系统能准确快速地仿真出AUV各运动阶段的弹道、位姿、速度与加速度信息,适用于全弹道组件设计、特性分析与控制器设计与验证。     

基于网络控制系统的水下航行器制导系统结构

研究基于网络控制原理的水下航行器制导系统结构,详细分析了基于时间触发的TFCAN高层协议在水下航行器网络控制系统中的应用;针对目前水下航行器制导系统的控制现状,提出基于NCS的水下航行器制导系统一般性结构和设计方法,有效地解决了水下航行器制导系统中信息传送的实时性和信息共享性问题,同时论证了水下航行器网络控制系统中影响其系统稳定性的时延问题：论文旨在通过对水下航行器网络控制系统结构的研究,指出其结构的意义和进一步的研究领域。     

海浪扰动下水下航行器的动力定位性能分析

水下航行器动力定位是通过对水下航行器的多个螺旋桨推进器的转速、推力进行控制调节以抵御外界环境扰动,体现了水下航行器在外界环境扰动下执行各种任务的能力.通过对随机波浪扰动下的水下航行器前向动力定位进行建模仿真,分析得到各个状态特性与环境扰动分量对水下航行器动力定位性能的影响.进行了水下航行器的运动方程和螺旋桨动力学特性的精确建模;再针对波频扰动下的变参数问题以及控制器的鲁棒性和自适应性要求,建立了水下航行器动力定位滑模控制器;最后,将PM谱的随机波浪扰动应用于动力定位仿真研究,仿真结果显示,螺旋桨的动力学特性、幅值限制以及波浪的流速与加速度信息直接影响了水下航行器的动力定位性能.     

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。     

基于生物启发模型的AUV三维自主路径规划与安全避障算法

针对自治水下机器人(AUV)的路径规划问题,在三维栅格地图的基础上,给出一种基于生物启发模型的三维路径规划和安全避障算法. 首先建立三维生物启发神经网络模型,利用此模型表示AUV的三维工作环境,神经网络中的每一个神经元与栅格地图中的位置单元一一对应;然后,根据神经网络中神经元的活性输出值分布情况自主规划AUV的运动路径.静态环境与动态环境下仿真实验结果表明了生物启发模型在AUV三维水下环境中路径规划和安全避障上的有效性.