模糊控制技术在水下机器人动力定位中的应用研究

根据水下机器人动力定位控制过程中存在非线性、耦合、干扰大等特点，设计了一个基于规则的模糊控制器。应用该控制器对水下机器人在纵垂方向上的动力定位进行仿真研究。仿真结果表明该方法是可行的。     

基于视觉的UVMS单路标定位误差分析

研究水下作业系统采用水下机器人,水下机器人-机械手系统(UVMS)是一种自主或半自主作业型水下机器人,为了利用单个水下路标,结合立体视觉对其进行相对定位.通过建立双目立体摄像机的误差模型,得到立体视觉利用视差测量时沿景物及其垂直方向的两个误差分量,推导了基于单路标定位的函数模型,并利用误差传递法则,得到了定位误差模型.最后结合实际物理系统参数,给出了载体在几种典型运动下定位误差的仿真结果证明定位精度可达到要求.     

基于OpenCV的水下机器人单目定位技术研究与仿真

针对水下机器人自主回收对接时的定位问题,提出了一种基于OpenCV的单目定位技术研究与仿真方法;首先确定回收装置在回收侧的光源标记点坐标信息;然后借助OpenCV算法库,通过对水下机器人自带摄像机的标定,得出反应摄像机固有信息的内参数,通过摄像机对回收装置光源标记点的识别,得出光源标记点在图像上的像素坐标,结合其世界坐标,得出反映回收装置在摄像机坐标系下位置和姿态信息关系的平移向量和旋转向量,进而确定水下机器人在回收装置坐标系下的位置和姿态信息;最后运用CATIA软件对摄像机拍摄模型进行建模和仿真,结果表明,所提方法不仅能快速地获得水下机器人的位置和姿态信息,而且定位精度高,满足水下机器人在自主回收对接时的设计要求。     

超小型水下机器人智能定位系统

提出一种新的超小型水下机器人智能定位系统.融合短基线定位声纳、电子罗盘、X/Y倾角传感器和深度传感器组成超小型水下机器人定位的硬件系统,使用基于构件的方法开发了针对超小型水下机器人定位系统的水上控制计算机三维虚拟显示软件.使用马尔可夫自定位算法在实测定位声纳信号的间隙推算水下机器人的位置,提高定位速度,使其与姿态传感器同步.设计了定位算法有效性的测试实验,结果证明算法有效.     

水下机器人粘性类水动力数值计算方法研究

通过对通用流体动力学仿真软件CFX的研究，提出了一套水下机器人粘性类水动力的数值计算方法．该方法采用标准k-ε湍流模型计算位置力系数，采用标准k-ω湍流模型计算旋转力系数及其它耦合水动力系数．对“CR-02”6000 m自治水下机器人的计算表明，通过这种方法获得的水动力系数具有较高的精度，可以满足水下机器人方案设计阶段的操纵性设计、运动预报和仿真等需求．     

AUV波阵面水声精确定位

本文提出在长基线自治水下机器人导航定位系统中用波阵面进行定位的方法 ，即用射线理论求出波阵面，用波阵面相交求出目标位置．模拟计算表明，对于深海导航定 位，利用这种方法可以较大地提高定位精度．     

水下机器人的单目视觉定位系统

介绍了OutLand 1000型水下小型远程遥控机器人(ROV)所携带的视觉系统,并通过实验对水下摄像机进行了标定,获得了像机的内参数.不同于陆地机器人的简化摄像机模型,针对水下环境对像机模型的影响,建立了水下像机的非线性畸变模型,在此基础上,对陆地单目视觉定位算法做了改进,并完成了系列水下实验.实验结果表明:经改进后的视觉定位方法提高了水下定位精度.     

基于超短基线的缆控水下机器人动力定位

动力定位 (DynamicPositioning(DP) )技术是水下机器人的关键技术之一。因此针对当前动力定位主要在缆控水下机器人 (ROV)中应用的情况 ,给出了ROV动力定位技术的实施方法。通过声学定位技术确定ROV的坐标 ,计算出与期望位姿的差 ,将其作为神经网络控制器的输入量来控制ROV ,从而进行动力定位。同时还重点研究了ROV动力定位中的主要研究内容即水声定位技术和定位控制技术的构建。     

水下机器人的神经网络自适应控制

研究了水下机器人神经网络直接自适应控制方法,采用Lyapunov稳定性理论,证明了存在有界外界干扰和有界神经网络逼近误差条件下,水下机器人控制系统的跟踪误差一致稳定有界.为了进一步验证该水控制方法的正确性和稳定性,利用水下机器人实验平台进行了动力定位实验、单自由度跟踪实验和水平面跟踪实验等验证实验.     

一种用于水电站水工建筑物缺陷检测的水下机器人系统设计

水电站水工建筑物缺陷检测目前是由观察型机器人或潜水员完成,存在检测手段少、运行受水流影响等问题。对此,文章针对水电站水工建筑物结构及缺陷特点,研制了一套水下检测机器人系统。该系统利用水动力仿真、静水力分析及稳性分析等方法,优化推力和布局布置、外形等选型和设计,解决了本体浮游和履带复合控制模式、不规则坝面吸附技术、多自由度姿态翻转和运动、缺陷位置定位等技术问题;同时,采用自主开发后处理软件,对声光电传感器数据进行融合,完成了缺陷判别与测量以及修补材料方量的估算,软件识别理论误差为7.4%,小于项目的 20%误差率要求,解决了缺陷判别与测量和修补材料方量的估算问题,最终实现了机器人在水电站水工建筑物的水平面、斜面坡、直立面及曲面环境下的水下缺陷检查、缺陷定位、缺陷尺寸测量及数据记录收集等水下无人化检测作业的目标。最后,通过水池功能试验,验证了该水下检测机器人系统的可行性。     

数字孪生水下三维实景数据底板获取技术研究

为了获取高精度的水下三维模型细节纹理结构,满足数字孪生建设对水下三维实景数据底板获取的需求,实现对水下构筑物的实时可视化动态监测,基于GNSS技术、USBL技术研究构建了水陆一体化定位技术,融合水陆一体化定位技术、有缆ROV和水下摄影测量设备等研发了水下摄影测量系统,实现了数字孪生水下三维实景数据底板的获取,并采用多波束测深系统、水下三维全景成像声纳系统等对水下摄影测量系统获取的三维实景模型数据成果精度进行了验证,结果表明：水下摄影测量系统获取的三维实景模型精度满足规范要求,可用于数字孪生流域、工程等水下基础数据底板的建设,也可为水下高精度三维场景重构再现和水利工程水下构筑物实时动态监测提供技术支撑。     

一种针对全海深载人潜水器的异步融合组合导航算法

全海深载人潜水器（HOV）组合导航中会产生异步融合现象,传统的组合导航算法在处理时会产生较大的误差．针对这一问题,提出了一种基于机器学习和无迹卡尔曼滤波（UKF）的异步融合组合导航算法．首先建立了针对超短基线（USBL）声学定位系统预测的机器学习模型,通过USBL声学定位系统的观测数据集来训练该模型,并用得到的模型来预测更新间隔内的数据．最后使用UKF将已更新的数据集进行融合．仿真结果表明,相比传统的组合导航算法,本文的异步融合组合导航算法可以将USBL声学定位系统数据异步问题所引起的误差降低17%,有效提高了组合导航系统的精度．     

高精度超短基线定位系统的实现

超短基线定位系统在海洋开发中具有广泛的应用,与其它基线相比,基阵尺寸小,易于安装。由于在远距离误差发散快,超短基线作用距离不远,其远距离定位精度也不高。为了满足深海作业需要,需要研制高精度长程超短基线定位系统,论述了系统的组成及设计,并通过改进基阵阵形、降低接收机噪声等方面提高系统定位精度。     

Adaptive PD-controller for positioning of a remotely operated vehicle close to an underwater structure: Theory and experiments

The requirement for high accuracy in dynamic positioning of remotely operated vehicles (ROV), especially when tasks close to underwater structures have to be performed, demands high precision of sensor systems. Taut-wire and passive arm systems can satisfy this demand in measuring ROVs positions and orientations relative to a structure. However, the main drawback of these sensor systems is that additional forces act on ROVs due to the mechanical connection. In order to solve this problem, an adaptive PD controller is proposed and designed for dynamic positioning of ROVs working in close proximity of structures. Invoking the adaptation law, these additional forces caused by the passive arm and umbilical, and even by the uncertainties in gravity and buoyancy can be identified and compensated. By choosing an adequate Lyapunov candidate function, the system's stability is proven. The effectiveness of this design control method is demonstrated by means of numerical simulations and experiments.     

移动USBL测距辅助的UUV协同导航定位方法

针对无人水下航行器(UUV) 导航精度受惯性导航(INS) 影响较大的问题, 本文提出一种基于无人水面船 (USV)携带超短基线(USBL)对UUV进行移动式辅助导航定位的方法. 文中以USV上高精度INS和全球导航卫星系 统(GNSS)组合后的导航结果作为基准, 利用USBL测量得到的USV和UUV相对位置和姿态信息, 结合UUV的INS误 差方程, 建立了UUV协同导航系统的状态方程和观测方程, 并基于自适应卡尔曼滤波方法对UUV状态进行滤波估 计. 仿真和湖上实验结果表明, 文中所提方法可有效提升UUV导航精度.     

水下狭窄环境中ROV的自主返回控制

为满足缆控水下机器人（remotely operated vehicle,ROV）在水下狭窄环境中作业完毕后的顺利回收需求,研究仿真ROV的路径跟踪以及动力定位系统。基于非对称ROV构建数学模型,利用李雅普诺夫函数,采用反向递推和反馈线性化,设计了基于反步法的自适应控制器。该控制器通过反馈线性化,将已知非线性参数转化成线性参数,不确定的非线性参数应用自适应控制律进行放宽。通过仿真对该控制器应用于ROV的可行性进行验证表明:基于反步自适应控制以及视线导引的算法,ROV在水下狭窄环境中路径跟踪效果良好,动力定位稳定,鲁棒性良好,能够很好地解决ROV模型的不确定性与非线性问题。该控制器为ROV在水下狭窄环境中的回收作业提供了很好的解决方案。     

基于超短基线/多普勒的水下机器人位置估计

为解决深海复杂环境下采用水声定位系统实现水下机器人位置控制所带来的反馈信号 延迟问题，提出了基于USBL/Doppler的水下机器人位置估计算法．文中首先根据导航系统确 定卡尔曼滤波器结构并建立了系统的状态方程和观测方程，同时，为了提高估计精度，引入 自适应卡尔曼滤波理论，以降低系统对环境和初始噪声估计精度的敏感性．最后通过数字仿 真验证了算法的有效性，并给出了结论．     

Design and control of a 6-degree-of-freedom precision positioning system

This paper presents the design and test of a 6-degree-of-freedom(DOF) precision positioning system, which is assembled by two different 3-DOF precision positioning stages each driven by three piezoelectric actuators (PEAs). Based on the precision PEAs and flexure hinge mechanisms, high precision motion is obtained. The design methodology and kinematic characteristics of the 6-DOF positioning system are investigated. According to an effective kinematic model, the transformation matrices are obtained, which is used to predict the relationship between the output displacement from the system arrangement and the amount of PEAs expansion. In addition, the static and dynamic characteristics of the 6-DOF system have been evaluated by finite element method (FEM) simulation and experiments. The design structure provides a high dynamic bandwidth with the first natural frequency of 586.3 Hz. Decoupling control is proposed to solve the existing coupling motion of the 6-DOF system. Meanwhile, in order to compensate for the hysteresis of PEAs, the inverse Bouc-Wen model was applied as a feedforward hysteresis compensator in the feedforward/feedback hybrid control method. Finally, extensive experiments were performed to verify the tracking performance of the developed mechanism.     

Development of a stable localized visual inspection system for underwater structures

To avert potential crisis from Japan’s aging infrastructure and declining birth rate, the Japanese Government is planning to introduce robotic technology for the inspection of social infrastructure (such as pipes, dams, and bridges). Recording underwater positions is a difficult task for human divers who undertake conventional dam inspections. This study presents the Anchor Diver 5.2 system for efficient and effectual dam inspection. Anchor Diver 5.2 is based on an extended-tether-maneuvered remotely operated vehicle (ROV) equipped with cameras. The ROV is lowered into water by a hoist system from a boat and implements a visual survey of the concrete underwater structure. To improve the visibility of the ROV in murky and cloudy water, a novel concept named Water Loupe is proposed. In addition, a simple boat-fixing method is proposed to provide a stable base on the water surface, and the underwater position of the ROV, which cannot be accessed by global positioning systems, is recorded using a feasible localization method. Finally, the developed system was evaluated in field experiments conducted in the Amagase Dam, Japan, and its merits and problems are discussed.