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智能水下机器人路径规划研究现状与展望

哈尔滨工程大学学报 2020年第8期41卷 1111-1116页

作者：孙玉山冉祥瑞张国成王力锋王建哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011

路径规划是智能水下机器人技术研究的核心内容之一,是实现其自主航行和作业的关键环节。本文对智能水下机器人路径规划方法进行分类并分析其各自特点,总结了国内外利用各种规划算法对智能水下机器人路径规划的研究现状,对比多种规划方法... 详细信息

路径规划是智能水下机器人技术研究的核心内容之一,是实现其自主航行和作业的关键环节。本文对智能水下机器人路径规划方法进行分类并分析其各自特点,总结了国内外利用各种规划算法对智能水下机器人路径规划的研究现状,对比多种规划方法,认为人工智能算法是当前规划领域较适用方法。研究表明智能水下机器人路径规划需要解决三维规划、定位通讯以及多约束等问题,指明了路径规划方法的优化及开发、局部路径规划、多机器人协同规划以及多平台协同规划为当前水下机器人规划的研究方向。

关键词：智能水下机器人路径规划协同规划人工势场神经网络强化学习避障安全性

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智能水下机器人的路径规划方法

高技术通讯 1997年第1期7卷 40-43页

作者：张汝波顾国昌张国印哈尔滨工程大学计算机系哈尔滨150001

阐述了智能水下机器人的路径规划方法。首先介绍了自行研制的智能水下机器人的系统组成，然后讨论了其规划方法，并着重介绍了体现水下智能机器人自主能力的全局规划器和局部规划器。

关键词：智能水下机器人规划机器人

基于改进二次规划算法的X舵智能水下机器人控制分配

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上海交通大学学报 2020年第5期54卷 524-531页

作者：李岳明王小平张军军曹建张英浩哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 中国舰船研究设计中心武汉430064

针对具有4个独立舵叶的X舵智能水下机器人(AUV)姿态控制分配精度及其计算效率问题,提出一种改进二次规划算法,在满足分配精度的同时减少计算量.使用Lagrange乘子法替代序列二次规划法所用的光滑牛顿法进行优化求解计算,有效降低了迭代... 详细信息

针对具有4个独立舵叶的X舵智能水下机器人(AUV)姿态控制分配精度及其计算效率问题,提出一种改进二次规划算法,在满足分配精度的同时减少计算量.使用Lagrange乘子法替代序列二次规划法所用的光滑牛顿法进行优化求解计算,有效降低了迭代循环计算,同时保留了序列二次规划的计算精度.仿真环境下的X舵AUV运动控制结果表明:改进后的控制分配算法能够减少40%的计算时间,控制分配偏差不大于0.03 N·m,AUV姿态控制效果良好.

关键词： X舵智能水下机器人控制分配改进二次规划运动控制

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智能水下机器人研究进展

科技导报 2015年第23期33卷 66-71页

作者：庞硕纠海峰哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室哈尔滨150001

随着机器人技术的进步和海洋开发需求的日益加强,智能水下机器人技术已经成为世界各国致力发展的技术领域。本文介绍国内外智能水下机器人的发展现状与发展趋势,分析智能水下机器人的关键技术及未来的发展方向。

关键词：智能水下机器人机器人技术海洋开发发展趋势人的发展国内外

基于混合微粒群算法的智能水下机器人模糊神经网络控制

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大连海事大学学报 2007年第3期33卷 16-21页

作者：张磊庞永杰甘永哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001

为减少因水下机器人模糊神经网络控制器参数较多、手工调整困难及主观不确定性因素的影响,提出一种基于免疫理论和惯性权值非线性递减策略的混合微粒群算法.该算法在保持基本微粒群算法处理多峰和多维问题能力的基础上,根据粒子浓度和... 详细信息

为减少因水下机器人模糊神经网络控制器参数较多、手工调整困难及主观不确定性因素的影响,提出一种基于免疫理论和惯性权值非线性递减策略的混合微粒群算法.该算法在保持基本微粒群算法处理多峰和多维问题能力的基础上,根据粒子浓度和适应度来动态调整约束因子,同时结合惯性权值非线性递减策略来抑制算法早熟收敛,平衡全局和局部搜索能力.在与GAI、GA及基本微粒群算法的仿真比较试验中,该算法搜索到最佳近优解,且其收敛速度最快.在水下机器人仿真平台上的控制试验表明,基于混合微粒群算法的控制器性能良好,具有较强的抗海流干扰能力.仿真结果证明了该算法的可行性.

关键词：智能水下机器人模糊神经网络微粒群算法免疫理论

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智能水下机器人故障诊断与容错控制研究

智能水下机器人故障诊断与容错控制研究

作者：杨勇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

智能水下机器人工作在一个复杂且不确定的海洋环境中，且受人工干预有限，容易出现各种故障，严重的故障会导致智能水下机器人的丢失。因此，对智能水下机器人进行故障诊断和容错控制研究是十分必要的。本文主要在智能水下机器人执行器... 详细信息

智能水下机器人工作在一个复杂且不确定的海洋环境中，且受人工干预有限，容易出现各种故障，严重的故障会导致智能水下机器人的丢失。因此，对智能水下机器人进行故障诊断和容错控制研究是十分必要的。本文主要在智能水下机器人执行器和传感器的故障诊断与容错控制方面进行了研究，该项研究具有重要的工程应用价值和理论意义。首先，对智能水下机器人进行动力学和运动学分析，建立水动力方程和大地坐标系下的运动方程，在此基础上得到智能水下机器人运动的状态方程。根据状态方程给出该系统的执行器故障模型和传感器故障模型，为后续故障诊断打下基础。在执行器故障模型中，控制输入由期望的控制力(矩)和由于执行器故障导致的控制力(矩)损失两部分组成。将控制力(矩)损失与运动状态一起构成扩展状态，用基于高斯粒子滤波的非线性系统状态估计方法估计扩展状态，从而得到控制力(矩)损失的估计值;利用修正的贝叶斯(MB)方法分析控制力(矩)损失值的时间序列，检测故障;检测出故障后，用滑动窗口法估计控制力(矩)损失的幅值。根据执行器与控制力(矩)的关系，参考当前执行器的使用情况，将故障定位到执行器，完成执行器故障诊断。对水平运动面的执行器故障诊断进行了MATLAB仿真实验，结果表明该方法能够实现执行器的故障诊断。实际试验验证了该方法的可行性和有效性。在基于高斯粒子滤波的非线性系统扩展状态估计中，可以得到运动状态的先验估计值，从而得到输出的先验估计值，将此输出估计值与传感器的测量值比较得到残差，通过对残差序列的阈值分析来诊断传感器故障。通过MATLAB仿真实验检验了该方法的有效性，并且对执行器故障和环境噪声具有很强的鲁棒性。在分析了ZS智能水下机器人的推力分配方法后，在广义逆推力分配的基础上进行推力重分配，即在推力分配中改变推力器约束条件、推力器权值和推力器配置矩阵。在Simulink中，建立ZS智能水下机器人的推力器故障诊断与容错控制仿真系统，仿真结果表明故障诊断方法能够诊断出设置的故障，容错控制措施能有效地减轻推力器故障对ZS智能水下机器人运动控制效果的影响。

关键词：故障诊断与容错控制智能水下机器人高斯粒子滤波推力重分配

智能水下机器人的实时避碰策略和全局路径规划研究

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智能水下机器人的实时避碰策略和全局路径规划研究

作者：陈永明哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

在海洋环境下，规划与避碰应该考虑水下机器人的动力学特性、海流以及水下障碍物的非结构化特性等。本文系统地研究了海洋环境下智能水下机器人的全局路径规划和实时避碰策略问题，并针对上述问题提出了自己的观点及方法。本文基于水下... 详细信息

在海洋环境下，规划与避碰应该考虑水下机器人的动力学特性、海流以及水下障碍物的非结构化特性等。本文系统地研究了海洋环境下智能水下机器人的全局路径规划和实时避碰策略问题，并针对上述问题提出了自己的观点及方法。本文基于水下机器人的动力学方程，提出了在海洋环境下基于水下机器人动力学特性的实时模糊避障规划方法。该方法以水下机器人与障碍物的相对位置和相对速度、海流的大小与方向及水下机器人的姿态作为输入，水下机器人下一时刻的期望(角)速度作为输出。该方法在避碰规划中考虑了水下机器人的动力学特性，有利于底层运动控制器跟踪避碰路径。为了更加贴近真实的海洋情况，论文还重点考虑了海流的影响。本文通过改进的空间搜索方法，模拟传感器对障碍物的探测过程，从而获取障碍物的方位及位置信息。该方法对二维和三维环境具有相同的表示和类似的处理过程，对障碍物也没有结构化的要求，从而适合于实际的海洋环境。此外，水下机器人的动力学特性和海流的存在影响了运动控制器对规划路径的跟踪实现，所以本文结合水下机器人动力学性能和考虑海流的影响来规划全局路径，使得规划的路径更具有可实现性。系统仿真试验表明，本文提出的海流环境下基于水下机器人动力学特性的模糊实时避碰算法和全局路径规划是具有一定的理论意义和对实际应用具有一定借鉴意义的。

关键词：智能水下机器人局部避碰全局路径规划

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智能水下机器人自主归航半物理仿真技术研究

智能水下机器人自主归航半物理仿真技术研究

作者：孟德壮哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

智能水下机器人作为人类探索深海空间重要载具,在海洋开发、水下救生、情报搜集、侦察等多个方面具有重要作用,已成为各国海洋开发和海军装备的重要研究方向之一。由于自身携带能源限制或任务更新的需要,使得自主安全归航技术成为了智... 详细信息

智能水下机器人作为人类探索深海空间重要载具,在海洋开发、水下救生、情报搜集、侦察等多个方面具有重要作用,已成为各国海洋开发和海军装备的重要研究方向之一。由于自身携带能源限制或任务更新的需要,使得自主安全归航技术成为了智能水下机器人研发设计中的关键技术。通过数字仿真、物理仿真与半物理仿真对比,研究发现半物理仿真能以适当的成本在可控的环境下安全可重复试验。借鉴航天器对接设计经验,本文设计了智能水下机器人自主归航半物理仿真系统。本文首先概述了半物理仿真系统在航天领域、汽车领域和船舶领域的研究现状,重点介绍了半物理仿真系统在水下机器人和海洋平台的应用及发展趋势。然后对智能水下机器人在真实海况下受力分析得到了六自由度运动方程,并在VC平台上实现动力学仿真。通过一系列的典型操纵性试验,验证了该动力学模型的真实性和可靠性。接下来综合使用Creator和3DSMax软件实现了水下空间实体建模,并利用Vega进行模型驱动。就水下空间随着水深增加越来越暗的自然现象,提出了使用纹理映射技术的解决方案,取得较好的视觉效果。最后详细介绍了在MFC中制作菜单、工具条、属性表单等过程,并基于MFC创建了模块化集成仿真系统,同时分析了系统中各模块的实际功能。关于半物理仿真系统的软硬件结构及视景仿真实现是本文的重点研究内容之一。从集成仿真系统的需求分析出发,设计了半物理仿真系统硬、软件体系结构,给出了智能水下机器人从不同初始位置开始进行自主归航的仿真试验,并将运动过程中实际轨迹与规划轨迹对比,验证了AUV的体系结构及软件、硬件可靠性。

关键词：智能水下机器人半物理仿真自主归航视景仿真

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智能水下机器人模块化建模技术研究

智能水下机器人模块化建模技术研究

作者：李彭超哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

正如基于火箭推送系统的宇宙飞船、探测器等是人类探测宇宙空间的必备手段，专为水下作业尤其是深海作业而生的智能水下机器人，摆脱了线缆限制，基于人工智能的决策与控制技术，自主完成预定任务，成为人类对海洋探测、开发与利用的最... 详细信息

正如基于火箭推送系统的宇宙飞船、探测器等是人类探测宇宙空间的必备手段，专为水下作业尤其是深海作业而生的智能水下机器人，摆脱了线缆限制，基于人工智能的决策与控制技术，自主完成预定任务，成为人类对海洋探测、开发与利用的最佳工具。针对定向任务的智能水下机器人，只能搭载有限的功能负载，无法满足日益多样性的任务需求。目前较可行的解决方案是：研制一种模块化的，任务可重构、功能可扩展的水下机器人，它具有一套按照统一标准设计的功能模块。配置不同的功能部件，就能实现不同功能，使同一个/款水下机器人，完成多种任务成为可能。与智能水下机器人结构和硬件方面的模块化相匹配，对潜水器建模时也采用模块化的思想，提升了数据的利用率和工作效率，降低了水动力的模块化应用的复杂程度，为模块化技术的应用和普及提供便利。首先基于水下机器人模块化理论与理念，给出了模块与开放平台的的概念，详述了模块的划分原则。按照功能和结构两种方式对模块进行分析。已成型的模块需要选择一种简单高效的建模方法，通过对模块结构以及其它影响因素的分析，基于模块化理论，建立一种简单有效的，水动力模块化建模方法。为了构建出水下机器人的水动力模型，分析了水下机器人的运动学模型和动力学模型。建立两个坐标系，并推导出坐标变换关系，根据牛顿第二定律，将水下机器人设为刚体，推导出运动学模型。在此基础上，所有外力归类分析，通过推导与计算，建立动力学模型，继而得到两个坐标系下，六自由度运动的平衡方程。对水下机器人进行模块化建模，根据模块化原则，利用流体力学的理论，以及经验公式，确立模块化水动力模型的建立方法。针对流行艇体，将模块数据化，建立标准的模块数据格式。结合经验公式和切片理论，给出基于模块的受力分析方法。通过模块化的分析方法，建立完整的模块化六自由度水动力模型。通过仿真对比试验，将建立的模型与传统的水动力模型相比较，通过潜水器各个典型机动状态下的运动参数的对比，验证模块化水动力建模的可行性。并设计能够快速得到水下机器人动力学参数的算法软件，进一步提升模块化建模的便利性，以契合模块化技术为智能水下机器人的设计、制造和使用提供最大便利的初衷。

关键词：智能水下机器人模块化标准化模块化建模