基于多波束前视声纳的AUV实时避障方法研究

在未知海洋环境下的远程航海过程中,基于前视声纳的避障能力是AUV（自治式水下机器人）的一个基本要求．提出了一种基于多波束前视声纳的实时避障专家系统．介绍了声纳特性以及障碍物描述方法,给出了避障专家系统的结构,说明了避障专家系统的决策过程．结合当前任务执行信息设计了专家系统知识库,针对声纳图像设计并实现了一种可以给出避障和重规划指令的推理机．最后,通过湖试对AUV避障专家系统进行了验证．     

基于三维速度势场的AUV局部避碰研究

以势场方法的思想为出发点,提出一种基于速度势场的AUV局部避碰仿真方法．根据AUV的特点建立了空间碰撞危险区域和由水平面速度势场和垂直面速度势场组成的三维速度势场．该方法较好地利用了相对速度的信息．仿真实验证明此方法可以使AUV在水下多运动障碍物的环境中得到较好的局部避碰效果,为今后的海试打下了很好的基础．     

自治水下机器人深度的鲁棒H∞控制仿真

研究了鲁棒H∞控制在自治水下机器人(AUV)深度控制中的应用.根据刚体空间运动和流体力学理论建立了AUV垂直面运动的数学模型,并在特定的工作点对模型进行了线性化处理得到了AUV垂直面运动的控制设计模型.根据鲁棒H∞控制理论设计了自治水下机器人垂直面运动的深度控制器.仿真结果表明,该控制器在减轻/克服AUV运动模型的不确定性,严重的非线性和外界干扰等方面有明显的效果,具有很好的动态性能,系统的鲁棒性强.     

自治水下机器人避碰算法及其仿真研究

为了提高水下机器人(AUV)在复杂海洋环境下的自适应性,文章对传统的避碰方法进行了改进.对AUV的禁入区和潜在碰撞区进行了安全性分析.建立了前视声纳模型以及三维水下规划空间模型.提出了基于强化学习、BP神经网络及人工势场相结合的避碰算法.在AUV与环境的试错交互中,借助于来自成功和失败经验的奖励和惩罚值,不断改进水下机器人的自治能力.设计了AUV深度行为模糊协调器, 对潜深行为和距底高度行为进行协调融合.开发了AUV运动规划与仿真的半实物软件系统,仿真试验证明了算法的合理性与可行性.研究对于提高AUV的自主性和安全性具有重要的应用价值.     

基于自适应重采样的同步定位与地图构建

就移动机器人同步定位与地图构建展开研究,针对FastSLAM算法产生的粒子退化及粒子集重采样问题,提出了基于自适应重采样的FastSLAM算法。该算法首先计算粒子集的有效样本数,确定粒子退化程度。然后设定有效样本阈值,当有效样本数小于阈值时则进行重采样。仿真表明:与EKF-SLAM相比,基于自适应重采样FastSLAM重采样效率更高,鲁棒性更好,在机器人路径和陆标位置的估计上,也具有更高的精度。     

基于传感器信息的AUV局部避碰研究

采用势场法对自主水下机器人(AUV)进行局部避碰规划.在建立前视声呐视域模型和人工势场模型的基础上,对AUV进行决策控制,通过梯度逼近法对目标进行搜索,快速规划出一条无碰撞的路径.在障碍物检测上,设计了监测模块,实时检测障碍的类型,指导AUV进行运动轨迹解算.在AUV深度控制上,设计了AUV深度行为模糊协调器,对最小潜深、最小距底高度进行协调,实时解算AUV深度行为.开发了AUV运动规划与仿真的半实物软件系统,仿真实验证明了算法的合理性与可行性.研究对于提高AUV的自主性和安全性具有重要的应用价值.     

多线程技术在AUV自主控制系统中的应用

自主控制系统对于自主式水下机器人(简称AUV)使命执行的安全性和有效性至关重要.本文在QNX环境下利用多线程技术实现了一种AUV自主控制系统.文中介绍了AUV的混杂系统结构和自主控制原理,给出了自主控制系统的多线程结构.设计了多线程同步模块,并与QNX消息传递机制相结合实现了AUV自主控制系统线程间的同步与通信.最后在半实物仿真平台上对自主控制系统软件进行了验证.     

多波束前视声呐在潜器避障中的应用研究

介绍了多波束前视声呐特性及其PC104处理机的功能;描述了避障系统的数据采集和传输方法;提出了用基于栅格图标的方法来完整描述声呐探测信息,从而构建出水下局部环境模型;采用带有增长率算子的运动映射直方图算法作为声呐传感器数据后处理算法,合理地表达了声呐数据的不确定性,克服了探测数据中混带的噪声;设计了基于声呐传感器的反应式避障算法,确保潜器能够及时、有效、安全地避开障碍物;最后通过湖上试验,验证了所作研究的正确性及可行性.     

AUV实时任务协调方法研究

自主地形勘察是AUV的一项重要使命,其使命控制过程是使命规划模块依据使命文本进行全局路径和任务规划,得到执行使命的任务序列.任务协调模块在预规划任务序列基础上,监控系统状态并触发事件,任务调度器根据事件消息对任务进行实时调度,发送行为控制指令驱动AUV动作来完成使命.给出了AUV任务协调模块Petri网模型,用来描述任务层离散事件间逻辑关系.在此基础上提出了基于改进RW理论的AUV实时任务协调方法进行任务间协调,实现AUV任务的实时调度.最后在虚拟仿真平台上结合地形勘察案例验证了任务调度算法,结果证明AUV能够在无人干预下自主地完成整个使命.     

虚拟现实在多目标水下作业中的应用

基于软件平台Vega和Creator软件开发出多目标水下作业的视景仿真系统。文中详细描述了开发本仿真系统的意义、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,以及软件系统的设计与实现。仿真结果表明,该系统能逼真地演示出多目标水下作业的整个过程,能实现从多个视角有效地观察整个水下作业过程中各个物体的运动情况,并且满足不同情况下的仿真需要。该文最终建立一个基于水下作业的多目标动态的视景仿真系统,生成三维视景效果场景,做出视景仿真管理界面。