一种基于混沌过程神经元水下机器人运动控制方法

由于系统的强非线性以及不确定性,同时考虑到港湾环境下水声信号的噪声大,水下机器人进行精确作业时的运动控制一直是其实用化过程中困挠人们的问题。过程神经网络是传统神经网络的拓展,它增加了一个对于时间的聚合算子,使网络同时具有时空二维信息处理能力,从而更好地模拟了生物神经元的信息处理机制。水下机器人运动控制系统的输入、输出均是随时间连续变化的过程量。在基本神经元模型上,结合S函数和预先规划思想,建立水下机器人过程神经元运动控制模型,参数学习过程中,将遍历性的渐变混沌噪声引入其中,增强控制器全局优化能力。仿真试验表明,该新型控制模型,对于水下机器人的运动非线性控制器具有设计简单、响应速度快、超调小、鲁棒性好等各种优点。     

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.     

多自主水下航行器系统一致性编队跟踪控制

研究了自主水下航行器的编队路径跟踪问题.基于无源性理论与一致性跟踪理论,在仅有部分AUV获取编队速度信息情形下,设计一种分布式控制律,实现了集群AUV的一致性编队跟踪.控制律分为2个部分:一部分基于无源性同步原理,建立了协同误差到跟踪误差的无源性通道;另一部分为一致性协同跟踪控制器,保证每个AUV相对于虚拟领航者的不一致参考信息通过协商达到最终一致状态.文章应用Nested Matrosov定理证明了整个闭环系统的稳定性,仿真结果验证了上述方法的有效性和可行性.     

考虑通信延迟的多自治水下航行器协同定位算法

自治水下航行器(AUV)协同定位中通信延迟具有常态性. 面对延迟到达的信息, 传统方法一般会有定位精 度或实时性的损失. 针对通信延迟的不利影响, 本文在建立水声探测和通信时延模型的基础上, 以扩展卡尔曼滤波 (EKF)为算法框架, 提出了信息顺序到达和信息出序到达2种协同定位算法, 并以建构面向信息出序情景的算法为 主要创新工作. 在信息顺序到达算法中, 将延迟信息进行序贯处理以减小定位误差. 在信息出序到达算法中, 以信 息出现一步滞后的延迟为背景, 使用出序信息直接对从AUV最新状态估计进行再更新, 信息无损地实时估计运动 状态. 计算机仿真实验结果表明, 本文算法相比于传统的航位推算、整周期滤波、量测丢弃等方法, 具有更高的估计 精度; 相比于数据缓存滤波、重新滤波等方法, 具有强实时性.     

基于水下图像光学成像模型的清晰化算法

针对水下图像的纹理细节模糊、对比度低以及图像光照不均问题,通过分析水下图像的成像过程,提出一种水下图像清晰化算法。在小波域的低频子带上结合水下图像光学成像模型,先利用高斯模糊对介质散射光进行估计与去除,再采用基于局部复杂度的方法调整衰减因子,对衰减低频子图进行自适应增强;在高频子带上采用非线性变换的增强方法,进一步增强了高频信息并有效地抑制了噪声的放大。实验结果表明该算法对解决水下图像模糊和光照不均问题具有较好的效果,与基于小波变换的水下降质图像复原算法相比,具有较高的实时性。     

采用双尺度图像分解的水下彩色图像增强

目的 为解决水下图像的色偏和低对比度等问题,提出一种基于双尺度图像分解的水下彩色图像增强算法。方法 通过基于均值和方差的对比度拉伸方法改善图像的色偏问题,并利用中值滤波降低红通道对比度拉伸后引入的噪声;采用双尺度图像分解绿通道图像补偿红通道图像细节;在处理后的红通道图像中引入原始图像红通道的真实细节与颜色。结果 选取不同水下图像作为实验数据集,将本文方法与暗通道先验的方法、基于融合的方法、自动红通道恢复方法以及一种基于卷积神经网络深度学习的方法相比较,首先从主观视觉效果进行定性分析,然后通过不同评测指标进行定量分析。主观定性分析结果表明,提出的方法相比较其他方法能够更好地解决图像色偏和红色阴影问题;定量分析中,自然图像质量评价（natural image quality evaluation,NIQE）指标和信息熵（information entropy,IE）值较基于融合的方法和深度学习的方法分别提高了1.8%和13.6%,且水下图像质量评价指标（underwater image quality measurement method,UIQM）较其他方法更优。结论 提出的双尺度图像分解方法利用水下图像成像特点解决图像色偏以及低对比度问题,具有良好的适应能力,同时算法复杂度低且鲁棒性较高,普遍适用于复杂的水下彩色图像增强。     

三维网络拓扑结构的水声传感器网络MAC协议

水声传感器网络Underwater Acoustic Sensor Network(UWASN)由于其广阔的应用前景,近年来逐渐被人们关注。然而由于水下环境的限制性,水声传感器网络具有其一些独特性。例如,与二维的陆地传感器网络不同,水声传感器网络是三维的。如今,现有的介质访问控制Medium Access Control(MAC)协议大多是针对二维无线传感网络,很少有基于三维水声传感器网络的 MAC 协议。针对水下三维网络,提出了基于三维网络拓扑结构的水声传感器网络 MAC 协议。该协议将网络中的节点生成树结构,并利用子节点与父节点之间的关系,通过动态节点算法实现三维动态的水声传感器网络。此外,详细分析了节点间的碰撞并有效解决各种碰撞,从而大大提高了信道利用率。通过仿真软件对比不同协议在同一网络拓扑中的实验结果,证实文中协议能够有效节约大量能源。     

面向船舶航行训练的大范围地形建模

大规模地形场景的实时绘制在虚拟现实、地理信息系统、战场仿真等领域 有着广泛的应用。为满足船舶模拟训练系统中视景仿真的需求,对大规模地形场景的建模与 实时绘制技术进行了研究。首先对比了几类常用数据插值方法,采用数据融合的方式对DEM 数据进行了插值。通过结合模拟训练的实际,提出了一种基于可见性判断的地形剔除方法, 通过放射状搜索,判断当前点是否遮挡,进而对被遮挡点进行剔除处理,可以有效减少地形 建模中无关面片,提高绘制速率。利用Google Earth 获取地形纹理,使用Terri Vista 构建三维 地形,实现了地形的三维建模。试验表明提出的方法可实现大规模地形场景的高效逼真绘制。     

水下湿法焊接研究进展

为研究深水湿法焊接电弧等离子体介质击穿机制,建立了高压水下湿法焊接试验平台,获取40 m水深电弧引弧阶段光谱图,基于PIC-MCC方法建立40 m水深湿法焊接电弧击穿放电三维数值模型并对其进行分析,将光谱诊断电弧等离子体温度、电子数密度和数值模型分析得到的结果进行对比,验证了模型的合理性与正确性. 根据电弧光谱得到的电弧等离子体的主成分,从微观粒子角度对高压水下湿法焊接电弧等离子体动态演变过程展开研究,获得等离子体动态分布、粒子数目、电弧等离子体温度及电子数密度变化.结果表明,电子与背景成分水分子发生电离碰撞主要生成H⁺,OH⁺和O⁺,且OH⁺数目增长速度最快, H⁺次之,O⁺最后,在粒子数目上OH⁺远远大于H⁺和O⁺数目;电子与背景气体碰撞过程中发生了能量转移,运动到极板介质层的电子动能减小,电子与极板介质层电离碰撞反应弱化,直至达到饱和.     

局部干法水下焊接电弧预热技术

针对局部干法水下焊接接头硬度过高等问题,根据固定式排水罩的特点,提出利用电弧进行预热的方法来改善局部干法水下焊接质量,阐明了预热垫板的设计安装和水下电弧预热的操作方式,并对水下电弧预热的可行性进行了试验验证. 通过焊接接头的工艺试验,对比焊前预热和未预热条件下所得焊接接头的综合力学性能. 结果表明,增加水下焊接预热功能后,焊接接头热影响区的最大硬度明显降低,冲击吸收功明显增加,有效改善了水下焊接接头的综合力学性能.