基于网络的水下机器人自主导航仿真系统体系结构

本文介绍了一个水下智能机器人导航仿真系统的软硬件体系结构,重点阐述以黑板结构为主体的设计思想和系统内的定时问题,并对系统的工作过程作了全面的描述.系统的运行结果证明设计是成功和合理的.     

水下机器人的垂直平面导航控制器设计

用变结构控制理论，根据视线制导规律，推导了水下机器人在垂直平面内的变结构导航控制器．它有效地排除了非线性干扰，仿真结果令人满意     

水下常驻机器人基站及导航对接技术综述

从基站形式和导航技术两方面对目前国内外典型水下常驻机器人的研究现状进行介绍,在对现有基站按杆绳式、漏斗式、笼式和平台式进行分类,并分析其优缺点的基础上,通过典型案例对比声学、光学和电磁学3种导航对接技术的特点,指出水下常驻机器人未来的发展优势.     

自主式水下机器人运动稳定性控制方法

针对自主式水下机器人稳定性控制问题进行了研究.首先对水下机器人的总体结构及其在水中的运动特性进行了分析,建立水下机器人系统的动力学模型;然后建立了直线、方向和位置的运动稳定性分析方法,确定了纵向稳定性和侧向稳定性准则,提出了基于特征值的稳定性要求;最后设计了无源自适应控制器,针对水下机器人在水中悬停和运动时易受海流影响的问题,建立了自适应补偿方法,进而确定了输入的不确定性补偿方法.对自主式水下机器人进行多方向的运动稳定性控制试验,通过试验修正稳定性控制参数,验证了设计的水下机器人运动稳定控制器的有效性和可靠性.     

基于MOOS的自主式水下机器人导航系统

针对自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)的试验成本极高,水下机器人的应用与算法验证都需要在一个理想的仿真环境中进行测试,且仿真环境的建模较为困难等问题,提出了应用MOOS软件系统对AUV导航系统进行导航位姿、通讯及三维信息的仿真,对MOOS软件系统的通信方法、软件架构、数据采集方式和传感器数据类型等方面进行了参数配置和仿真说明.面对工程导向,从数据产生机制、数据发布订阅和数据解析处理等角度,对MOOS软件系统进行论证分析.分析结果表明,MOOS系统可根据AUV导航系统的预设轨迹信息产生相关环境传感器数据,有效地进行多源信息融合与导航位姿解算.     

基于机器人操作系统的液压机器人自主导航系统设计与实现

在机器人两轮差速运动模型分析的基础上,根据运动模型的航迹演算公式可实时计算机器人轨迹姿态。基于机器人操作系统架构平台设计了机器人本体、机器人底座、驱动液压马达、导向轮、激光雷达等7个关节和连接的结构模型。各机器人关节坐标系变换关系经过Tf实时发布,用于计算机器人位置坐标信息。针对液压机器人没有配备编码器和视觉系统的不足,系统采用2D平面激光里程计模型(RF2O),通过建立连续激光扫描点对距离的流约束方程获得机器人平面运动估计,进而得出激光雷达的速度和机器人实际运行轨迹。设计了自主导航软件系统,实现了导航地图构建、定点任务导航和多机器人管理等功能,并对机器人定位导航精度进行了测试,分析对比多次指定位置和导航位置的数据差异,结果表明机器人导航定位精度达到设计要求。     

基于零空间行为法的自主水下机器人避障策略

针对自主水下机器人(AUV)在复杂海底环境驶向目标点的过程中可能遇到动静态障碍物的问题,设计了基于零空间行为(NSB)法的避障策略.首先将AUV驶向目标点的整体任务分解成不同的子任务,并把避障子任务设为最高优先级任务;对于多任务控制目标,将由低优先级任务向量向高优先级任务向量的零空间进行投影得到的综合任务向量作为最终输出函数;在完成高优先级任务的同时,部分或全部完成低优先级任务,以避免各任务目标的相互冲突.随后根据不同子任务的优先级设计相应的任务函数,研究了针对静态和动态障碍物的避障策略;推导并建立了AUV运动的综合输出函数,以确保其在驶向目标点的过程中对不同类型障碍物进行有效规避.模拟计算结果证明该方法是有效的和可行的,在复杂障碍物环境中能够达到预期的避障效果.     

一种自主水下机器人航路规划算法研究

在基本蚁群算法的基础上,提出了一种用于实现自主水下机器人路径规划的自适应蚁群算法,该方法通过改进概率的选择和调节信息素挥发系数,保证AUV以更安全的航路接近目标,同时提高了搜索最优路径的收敛速度,并对路径进行平滑处理使结果更可行.用Matlab对控制算法进行仿真,仿真结果表明该算法能明显改善路径规划性能.     

基于单线激光的果园机器人自主导航方法

以四轮差速机器人作为试验平台,提出一种基于单线激光雷达获取环境信息的方法,研究机器人在树行中心线的导航性能以及机器人到达行尾进行自主换行的能力.首先,由单线激光雷达获取环境信息,利用距离阈值法、自适应密度聚类算法、改进的最小二乘法等算法处理激光数据,得到树行中心线作为机器人理论导航路径,以机器人与导航路径的横向偏移量、航向偏角和线速度作为输入量来设计控制模型实时跟踪导航路径,到达行尾时能够自主感知并执行掉头转弯至下一行动作;行间自主导航试验中,机器人线速度分别为0.2、0.4和0.6 m/s,且机器人初始位置横向偏移量不大于0.8 m、航向偏角不大于15°时,导航轨迹与树行中心线的平均横向偏差为3.69 cm,最大横向偏差为11 cm;在自主换行测试中,机器人能够准确进行掉头转弯到下一行,然后继续进行行间导航.果园自主导航系统具有良好的运行稳定性和较高的导航精度,能够满足果园作业机器人的自主行驶精度要求.     

基于自适应反步法的自主水下机器人变深控制

为实现自主水下机器人(AUV)的高精度变深控制,基于AUV垂直面的运动学和非线性动力学模型,提出了神经网络自适应迭代反步控制方法,设计了运动学和动力学控制器.文中首先考虑AUV非线性模型的攻角和水动力阻尼系数的不确定性,设计神经网络控制器来对纵倾运动中的非线性水动力阻尼项和外界海流干扰作用进行在线估计,并基于Lyapunov稳定性理论设计神经网络权值的自适应律,保证系统闭环信号的一致最终有界.最后通过两组仿真实验,比较了所设计的控制器在设定控制器增益参数下的系统响应和在扰动作用下的变深控制性能,结果表明,所设计的控制器具有较小的稳态误差和较高的跟踪精度.     

自主式水下机器人的光视觉管道探测跟踪系统

研究了自主式水下机器人（AUV）利用单目光视觉系统对水下管道的检测跟踪问题,对实现该方法的各个过程从硬件组成和软件体系结构两方面进行了阐述,从而完成了一整套水下光视觉系统的软、硬件设计. 分析了水下管道图像的特点,结合该特点阐述了图像预处理过程,提出了一种改进的Hough变换方法,改善了管道边界的提取效果. 同时采用管道参考区域预测方法,提高了管道的检测率以及实时性, 并利用水池试验对系统的可行性和有效性进行了验证.     

基于自适应阈值的自主水下机器人温跃层探测方法研究

海洋温跃层是一种重要的海洋现象。基于自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV),提出了一种梯度阈值可调的温跃层探测方法,其阈值可根据海洋温跃层分布特性自适应修改,同时针对AUV温跃层探测中水体分层厚度选取的问题,提出了一种根据温度梯度峰值点个数自主确定其大小方法,可实现AUV完全自主探测温跃层。根据AUV外场实验数据,同峰值法、平均梯度法以及最优分割法进行了比较分析,结果表明此方法简单、有效。     

自主水下机器人强制自航下潜的类物理模拟

为提高自主水下机器人(AUV)下潜的安全性和稳定性,需对AUV自航下潜操纵运动进行精确预报.为此提出建立载体全物理模型,模拟螺旋桨运动,编写用户自定义函数(UDF),求解雷诺平均N-S方程,实时预报载体强制自航下潜运动受力和流动特性的类物理数值模拟方法.该方法采用多块混合网格和动区域法,能提高动网格数值模拟的精度和计算效率.数值方法通过AUV自航试验的速度对比进行了验证.将该方法应用于AUV强制自航下潜模拟,结果表明:初始启动时,载体加速度较大,将导致AUV有较大纵向和垂向阻尼;在载体纵倾变化过程中,载体垂向力幅值较大且振荡,螺旋桨尾迹有扭转趋势,螺旋桨推力变化;在载体定向直航下潜中,螺旋桨推力和载体阻力较为稳定.     

导航星座自主导航技术研究

导航星座自主导航日益成为新一代卫星导航系统的主要研究方向。在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上，重点提出了导航星座自主导航的关键技术，包括卫星星历与时钟参数的长期预报技术、星间测距与通信链路的建立和维持技术、星座卫星自主时间同步技术、星座卫星自主星历更新技术、自主导航信息处理的鲁棒滤波技术、星座整体旋转建模技术，以及地球自转及极移参数的长期预报技术。详细分析了关键技术实施途径，论证了相关数学模型。最后，对星座卫星自主时间同步与星历更新算法进行了系统仿真，结果表明：通过星载滤波器处理星间双向测