水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展

 随着水下作业要求的增加以及软体机器人技术的发展,水下软体机器人的研究成为水下机器人的一个前沿方向。用人工肌肉实现驱动控制并能实现仿生运动的水下软体机器人成为相关领域的研究热点。本文介绍现有水下软体机器人中7类人工肌肉驱动方式,再根据水下软体机器人推进形式,按5种仿生运动形式介绍了现有的水下软体机器人,最后展望了水下软体机器人未来在水下勘探的应用前景。     

水下机器人的发展现状

介绍了国内外典型机器人的性能特点,阐述了国内外水下机器人发展的历史现状,总结了水下机器人发展中存在的一些关键问题,并对未来水下机器人领域的发展动向作出了展望。     

多翼自治水下机器人动力学建模与姿态控制

为了提高多翼自治水下机器人姿态自主控制的稳定性和控制性能,设计了基于多翼水下机器人全参数控制模型的姿态控制系统.首先对多翼自治水下机器人进行运动学和动力学分析,建立多翼自治水下机器人的全参数运动控制模型;在此基础上建立多翼自治水下机器人整体控制系统,设计基于线性二次型最优控制的多翼自治水下机器人姿态控制器;最后进行多翼自治水下机器人姿态控制仿真实验.结果表明:在给定的外界干扰下,多翼自治水下机器人能够快速稳定跟踪目标姿态,所建立的控制器以及控制模型能够满足多翼水下机器人姿态的自主控制需要,达到设计目标.     

水下机器人纵向姿态的随机最优控制律研究

本文根据水下机器人的线性化模型,利用卡尔曼滤波技术给出了水下机器人纵向姿态的最优估计,通过对水下机器人垂向干扰力的有理谱建模,进行状态扩充,给出了水下机器人的随机最优控制律.仿真结果表明,其控制效果更为理想.     

基于神经网络PID的AUV控制方法研究

针对水下机器人各自由度之间存在较强的耦合和非线性特征，其精确的数学模型很难获得的问题，建立了水下机器人空间运动的数学模型，并根据实际需要和控制器设计的方便进行了适当简化，得到了水下机器人自由度运动模型．在此基础上，使用了基于神经网络的PID控制方法．结合水下机器人六自由度水动力模型，建立了基于BP网络的PID的水下机器人控制器，并进行了仿真环境下的试验．试验结果表明，以上控制方法较为适合水下机器人的运动控制．     

基于观测器的水下机器人鲁棒故障诊断

为提高水下机器人故障检测的正确率,降低故障诊断的误报率和漏报率,基于水下机器人的空间运动方程,完成了非线性滑模观测器的设计,并利用设计的观测器完成了水下机器人的系统辨识.将观测器应用于水下机器人的传感器仿真试验和推进器故障诊断的海上试验的结果验证了该方法的有效性和可行性.     

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.     

水下机器人传感器故障诊断

为了提高水下机器人系统的总体可靠性,开展了水下机器人传感器故障诊断研究.在分析水下机器人传感器三种故障形式的基础上,提出了相应的故障诊断方法.阐明了线性平滑原理和小波变换的基本理论,进行了信号奇异性分析,探讨了小波基选择的一般标准.将提出的几种故障诊断方法应用到实际的水下机器人海上试验中,结果验证了所提方法的有效性与可行性.     

基于CPG的水下自重构机器人控制网络演化方法

提出了基于中枢模式发生器(CPG)的水下自重构机器人控制网络的演化方法.引入仿生学中的CPG作为控制网络基本组成单元,采用通路矩阵描述水下自重构机器人的构形,实现了由构形到CPG控制网络的演化,并给出了水下自重构机器人典型构形所对应的CPG控制网络的结构及输出波形.结果表明,所提出的方法可以动态生成水下自重构机器人的控制网络.     

基于深度强化学习的水下机器人最优轨迹控制

为了实现水下机器人在跟踪复杂轨迹时具有出较高的精度和稳定性,提出了利用深度强化学习实现水下机器人最优轨迹控制的方法:首先,建立基于2个深度神经网络（Actor网络和Critic网络）的水下机器人控制模型,其中Actor网络用来选择动作,Critic网络用来评估Actor网络的训练结果;其次,构造合适的奖励信号使得深度强化学习算法适用于水下机器人的动力学模型;最后,提出了基于奖励信号标准差的网络训练成功评判条件,使得水下机器人在确保精度的同时保证稳定性. 仿真实验结果表明:在解决一定精度内的水下机器人复杂轨迹跟踪问题时,该算法与传统PID控制算法相比具有更优的性能.     

基于曲线路径算法的2D仿真机器鱼水球斯诺克比赛策略

为了提高水中机器人2D仿真平台斯诺克赛项的得分,基于URWPGSim 2D(underwater robot water polo game simulator 2D)仿真平台,采用最短距离和最小旋转角度求和比较的方法,实验得出了机器鱼以不同速度行进时其偏转角度呈奇偶特征,以此研究了其比赛策略和带球算法。在策略上,确定了红球-粉球组合最优、红球进洞顺序为从左到右、红球进中上洞、粉球进左下洞。基于此,确定了一种基于曲线路径的带球算法,给出了中上洞、左下洞带球进洞路径规划,采用虚拟点位和距离阈值的模糊控制理论来实现算法。仿真结果表明：优化后的带球算法效率高,实际比赛效果好,所提出的比赛策略和带球算法可应用于水下机器人运动控制。     

控制动作下带缆遥控水下机器人的水动力特性

首先利用模糊神经网络算法构建了基于完整的带缆遥控水下机器人水动力数学模型的控制器,对水下机器人多自由度上的轨迹和姿态进行控制;然后,针对传统螺旋桨推进力分析方法中的缺陷,引入神经网络相关理论并结合计算流体方法对推进力和转速之间的相互关系进行辨识和换算;在此基础上构建了一个完整的、包括模糊神经控制器、机器人水动力数学模型以及推进力和转速换算模块的带缆遥控水下机器人控制系统;最后,在考虑系统各部分间相互影响的前提下进行了水动力特性的整体分析和计算.数值计算结果表明,所建立的控制系统可以对带缆遥控水下机器人进行有效的轨迹和姿态控制,文中方法可以从整体的角度分析一定控制动作下水下机器人的水动力响应.     

新型水下自重构机器人水下机电对接技术

研究了一种应用于水下自重构机器人的新型水下湿式机电对接技术.采用多卡爪机械锁紧机构和充油密封方式,实现了水下可靠的机械与电气连接;利用机器人逆运动学方法实现关节的协调控制,进行对接过程末端模块的轨迹规划;利用对光电引导传感器组信号的优化来辅助水下对接;成功研制了该水下连接装置和基于该装置的水下自重构机器人样机.通过在样机上的实际应用,验证了该技术的有效性.     

水下自重构机器人Kane动力学建模方法

针对水下自重构机器人构形多变且外部环境复杂等特点,提出了一种通用的、基于构形描述及Kane动力学的建模方法.利用图论中关于拓扑结构的描述方法,建立水下自重构机器人多种拓扑构形的统一数学表达,再结合Kane方法,在模型中加入水下各种外部环境作用力,最终建立封闭的水下自重构机器人运动方程.通过典型构形的建模实例,证明了该方法的可应用性和有效性.
     

不可压缩非牛顿粘性流体二维定常流动的最优边界控制

讨论不可压缩非牛顿粘性流体二维定常流动的最优边界控制问题,证明了最优边界控制的存在性,而且最优对可用Galerkin方法所得的近似最优对序列逼近。     

小型4轴矢量推进式水下机器人定深控制技术

针对传统水下航行器低速航行时姿态控制效率低、机动性差的缺点,设计并构建了一款4轴矢量推进式水下机器人,使其在低速航行时仍然具有高可控性与高机动性. 依据该机器人的结构特点和运动特性,提出了一种基于自适应滑模控制的适合矢量推进式水下机器人纵向深度控制的高可靠性方法,并构建了鲁棒控制器,且配以平滑饱和函数,有效改善机器人控制的暂态品质和震颤现象,解决了该机器人建模时因动态系统高维、多输入、高度耦合、强非线性而产生的较大建模误差问题. 仿真结果表明,机器人的深度、俯仰角能迅速稳定在期望值附近.      

Control of Underwater Robot Attitude in Wave Based on Fuzzy Sliding Mode Method

When an underwater robot works with its manipulator, it is very critical to keep the position and attitude stable in wave. The modeling, numerical calculus of the rolling motion of a small open-frame underwater robot in wave was discussed. A sliding mode control(SMC) strategy with adaptive fuzzy reasoning is presented to change the rolling response process of the underwater robot by using the two lateral thrusters to reduce the rolling amplitude when the manipulators are working. The results comparing between the simulation and the numerical calculus has shown the effectiveness.There is few analogous research on underwater robot attitudes in wave. Some attempts are made here.     

四旋翼水下机器人及其矢量角度测试实验分析

为提高水下机器人运行稳定性,降低综合能耗,研究一种矢量推进式四旋翼水下机器人,该机器人的四个水下推进器通过绕OY轴转动,形成矢量推进。针对数据野点问题,以及D/A模块输出误差问题,通过设计一种控制电压闭环缓变调节方法,防止因野点存在而烧毁舵机和推进器,同时减小方差,提高稳定性;通过试验法研究了矢量角度对水下机器人控制性能的影响规律。结果表明：矢量角度小于45°时,艏向定值跟踪实验中,响应速度较快,超调量较大,稳态误差较高,平均功耗较低;同频率艏向动态跟踪实验中,平均误差较高,平均功耗较低;变频率艏向动态跟踪实验中,平均功耗较低;深度定值跟踪实验中,响应速度较慢,超调量较小,稳态误差较低,平均功耗较高,同频率深度动态跟踪实验中,平均误差较低,平均功耗较高;变频率深度动态跟踪实验中,平均功耗较高。矢量角度大于55°时,各项控制性能指标与矢量角度小于45°时相反。可见矢量角度为45~55°时,为控制性能过渡区间。     

参数自调模糊控制方法在机器人中的应用

设计了用于水下船体表面清刷机器人系统运动控制的参数自调整模糊控制器，仿真结果表明，通过调整模糊控制器的参数K1，K2和K3，使机器人系统具有良好的鲁棒性，满足机器人控制性能要求．