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基于单双目融合的AUV坐落式回收光视觉引导算法

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控制与决策 2025年第1期 28-37页

作者：祝志坤卢丙举李一辰王凯于文彬上海交通大学电子信息与电气工程学院河南省水下智能装备重点实验室

自主水下航行器(AUV)在任务进行过程中或完成后需通过自主回收实现能源补充与数据下载等操作,是否能进行高效、精准地回收引导决定了AUV的回收效率,成为其能否广泛应用的关键.针对AUV坐落式回收过程中的近距离光学引导定位问题,提出一... 详细信息

自主水下航行器(AUV)在任务进行过程中或完成后需通过自主回收实现能源补充与数据下载等操作,是否能进行高效、精准地回收引导决定了AUV的回收效率,成为其能否广泛应用的关键.针对AUV坐落式回收过程中的近距离光学引导定位问题,提出一种基于深度学习的单双目位姿测量算法.首先,面向恶劣的水下光学成像条件,结合暗通道先验去雾和YOLO v9目标检测网络,实现一种可适应不同水质、光照强度且鲁棒性强、可靠性高的引导光源提取算法.同时,针对回收过程中的特征匹配问题,设计一种不依赖于AUV速度的全向特征匹配算法,实现3D-2D特征匹配.此外,针对坐落式回收典型的多阶段引导特点,分别基于PnP原理和SVD分解设计面向不同阶段的单、双目引导定位算法.最后,基于多次仿真和实物实验,验证算法在精确位姿估计方面的可行性和有效性.

关键词：水下自主航行器坐落式回收深度学习特征点提取位姿估计目标检测

基于全驱系统方法的AUV鲁棒自适应轨迹跟踪控制

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控制与决策 2025年第1期 285-291页

作者：王鹏钱承张柳柳华长春燕山大学电气工程学院燕山大学河北省智能康复及神经调控重点实验室

针对存在执行器故障、外界干扰和模型不确定的自主式水下潜航器系统(autonomous underwater vehicle,AUV),提出基于全驱系统(fully actuated system, FAS)方法的鲁棒自适应轨迹跟踪误差受限控制策略,使AUV能够渐近跟踪目标信号.首先,将... 详细信息

针对存在执行器故障、外界干扰和模型不确定的自主式水下潜航器系统(autonomous underwater vehicle,AUV),提出基于全驱系统(fully actuated system, FAS)方法的鲁棒自适应轨迹跟踪误差受限控制策略,使AUV能够渐近跟踪目标信号.首先,将跟踪误差相关的归一化函数和障碍函数与时变尺度函数相结合,提出误差受限全驱系统方法;其次,将径向基函数神经网络(radial basis function neural networks, RBFNNs)与误差受限全驱系统方法相结合处理系统中的不确定模型;进一步,设计自适应补偿机制处理执行器故障;再次基于Lyapunov稳定性理论证明轨迹跟踪误差渐近收敛于零;最后,通过仿真结果验证所设计的鲁棒自适应轨迹跟踪误差受限控制器的有效性.

关键词：全驱系统方法鲁棒控制自适应控制神经网络轨迹跟踪控制

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经颅磁声电刺激强度对小鼠前额叶皮质网络可塑性的影响

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中国组织工程研究 2025年第6期29卷 1108-1117页

作者：张帅李子春徐亦豪谢晓峰郭忠圣赵清扬省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室生命科学与健康工程学院河北工业大学天津市300401 天津市生物电工与智能健康重点实验室生命科学与健康工程学院河北工业大学天津市300401

背景:经颅磁声电刺激是一种新型无创的神经调控技术,利用超声波与静磁场耦合作用产生的感应电场调节神经系统的放电活动,但其影响大脑突触可塑性的作用机制研究尚浅。目的:探讨经颅磁声电刺激强度对小鼠前额叶皮质神经网络突触可塑性的... 详细信息

背景:经颅磁声电刺激是一种新型无创的神经调控技术,利用超声波与静磁场耦合作用产生的感应电场调节神经系统的放电活动,但其影响大脑突触可塑性的作用机制研究尚浅。目的:探讨经颅磁声电刺激强度对小鼠前额叶皮质神经网络突触可塑性的影响。方法:①动物实验:将24只C57小鼠平均且随机分为4组,对照组(接受伪刺激)、刺激6.35 W/cm^(2)组(接受0.3 T、6.35 W/cm^(2)的耦合刺激)、刺激17.36 W/cm^(2)组(接受0.3 T、17.36 W/cm^(2)组的耦合刺激)和刺激56.25 W/cm^(2)组(接受0.3 T、56.25 W/cm2的耦合刺激),记录小鼠执行T迷宫过程中局部场电位信号和行为学正确率。②建模仿真实验:构建经颅磁声电刺激小鼠前额叶皮质神经网络模型,分别比较不同刺激强度下神经网络结构连接特性。结果与结论:①经颅磁声电刺激能够有效缩短小鼠行为学习时间,工作记忆能力得到改善(P实验准确度没有明显差异(P>0.1)。分析小鼠前额叶局部场电位信号发现经颅磁声电刺激促进了β节律与γ节律能量增强;而随刺激强度升高,β节律与γ节律出现了非同步性下降;通过β-γ相位幅值耦合发现,刺激增强了神经网络适应新的信息和任务要求的能力变化。②建模仿真发现,刺激使得神经网络放电水平增强,长时程突触权重水平提高而短时程突触权重仅在刺激强度较高时降低。③研究结果表明,不同的刺激强度与神经网络功能结构的影响存在复杂的非线性关系;这种神经调控技术为治疗突触功能障碍和神经网络异常等相关神经疾病方面提供新的可能。

关键词：经颅磁声电刺激工作记忆突触可塑性皮质网络 LIF神经元模型

重复经颅磁刺激对阿尔茨海默病小鼠海马齿状回钾离子通道的影响

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中国组织工程研究 2025年第12期29卷 2544-2552页

作者：钱磊于洪丽赵秀芝朱俞灿河北工业大学生命科学与健康工程学院天津市300130 河北工业大学天津市生物电工与智能健康重点实验室天津市300130 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津市300130

背景:经颅磁刺激已经被用于治疗阿尔茨海默病,但其机制尚未完全明确。目的:分析重复经颅磁刺激对阿尔茨海默病小鼠海马齿状回神经兴奋性的作用机制。方法:采用随机数字表法,将16只C57BL/6小鼠随机分为对照组(n=8)、对照+磁刺激组(n=8),... 详细信息

背景:经颅磁刺激已经被用于治疗阿尔茨海默病,但其机制尚未完全明确。目的:分析重复经颅磁刺激对阿尔茨海默病小鼠海马齿状回神经兴奋性的作用机制。方法:采用随机数字表法,将16只C57BL/6小鼠随机分为对照组(n=8)、对照+磁刺激组(n=8),将16只APP/PS1小鼠随机分为痴呆组(n=8)、痴呆+磁刺激组(n=8),对照+磁刺激组与痴呆+磁刺激组给予重复经颅磁刺激,2 h/d,连续刺激14 d。磁刺激结束后,采用水迷宫实验检测小鼠认知能力,全细胞膜片钳技术采集动作电位,分析阿尔茨海默病对动作电位的影响;全细胞膜片钳技术采集钾离子通道电流,分析其动力学特性对神经兴奋性的作用。结果结论:①水迷宫实验结果显示,正常小鼠接受重复经颅磁刺激后能够更加精准地找到确定原平台位置,阿尔茨海默病导致小鼠学习记忆能力下降,找到平台次数下降,海马齿状回神经元退化,而重复经颅磁刺激可提高阿尔茨海默病小鼠的学习记忆能力;②全细胞膜片钳技术检测结果显示,重复经颅磁刺激能够使阿尔茨海默病小鼠神经元更容易发生去极化,使神经元更易兴奋;③钾离子通道电流分析结果显示,阿尔茨海默病使得瞬时外向钾通道半数激活电压增大,失活曲线向着去极化方向偏移,复活时间常数延长,使得延迟整流钾通道激活曲线向着去极化的方向偏移,而重复经颅磁刺激干预延迟了钾离子通道的打开与关闭,抑制了细胞内钾离子的外流,使得细胞内保持较高浓度K^(+),提高了神经元兴奋性;④结果表明,重复经颅磁刺激可能通过提高海马齿状回颗粒神经元兴奋性来缓解认知能力的衰退。

关键词：重复经颅磁刺激全细胞膜片钳 K+通道水迷宫神经兴奋性学习记忆动作电位

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均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

力学学报 2024年第4期56卷 928-942页

作者：刘天羽胡海豹宋健任峰西北工业大学航海学院西安710072 河南省水下智能装备重点实验室郑州450015

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0~10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之... 详细信息

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0~10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.

关键词：圆柱绕流旋转控制格子Boltzmann方法动态模态分解流动稳定性

基于自适应视距制导的无人潜航器三维协同路径跟踪控制

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控制与决策 2025年第1期 242-251页

作者：王浩亮于德智卢丽宇张卫东彭周华大连海事大学轮机工程学院上海交通大学电子信息与电气工程学院大连市智能船艇集群控制与电气技术重点实验室水路交通控制全国重点实验室大连海事大学船舶电气工程学院海南大学信息与通信工程学院

针对跟踪路径复杂、立体空间运动、模型参数动态变化、风浪流扰动下的多无人潜航器(unmanned underwater vehicle, UUV)协同路径跟踪问题开展研究.首先,针对UUV跟踪复杂路径情形设计自适应前视距离策略,使得UUV可以更好地跟踪复杂水下路... 详细信息

针对跟踪路径复杂、立体空间运动、模型参数动态变化、风浪流扰动下的多无人潜航器(unmanned underwater vehicle, UUV)协同路径跟踪问题开展研究.首先,针对UUV跟踪复杂路径情形设计自适应前视距离策略,使得UUV可以更好地跟踪复杂水下路径;其次,针对立体空间运动的UUV集群,设计三维视距制导律和协同控制律引导UUV集群在三维空间中沿参数化路径运动;最后,针对模型参数动态变化、风浪流扰动影响下的UUV集群,设计自抗扰控制器实现对动态变化模型、总扰动信息和速度信息的统一估计,保证动力学控制的稳定性.仿真结果验证了所提出基于自适应视距制导的无人潜航器三维协同路径跟踪控制方法的有效性.

关键词：自适应前视距离三维视距制导协同路径跟踪自抗扰控制无人潜航器

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基于级联惯性负载转矩观测器的永磁伺服电机复合抗扰控制

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湖南工业大学学报 2025年第1期39卷 26-34页

作者：彭诚王兵易志萱李赐图湖南工业大学电气与信息工程学院湖南株洲412007 湖南工业大学电传动控制与智能装备湖南省重点实验室湖南株洲412007

针对永磁伺服电机在运行时位置跟踪精度差和抗干扰性能弱等问题,提出一种模型预测位置控制与非奇异快速终端滑模速度控制相结合的复合模型预测控制策略。该控制策略采用非奇异快速终端滑模设计速度控制器,以有效提高响应速度及系统鲁棒... 详细信息

针对永磁伺服电机在运行时位置跟踪精度差和抗干扰性能弱等问题,提出一种模型预测位置控制与非奇异快速终端滑模速度控制相结合的复合模型预测控制策略。该控制策略采用非奇异快速终端滑模设计速度控制器,以有效提高响应速度及系统鲁棒性;采用模型预测位置控制提高位置跟踪精度;同时,采用基于转动惯量观测和负载转矩观测器相结合的级联惯性负载转矩观测器观测负载转矩并进行前馈补偿,进一步提高系统的抗干扰性能。通过仿真和实验结果可得,所提复合模型预测控制可有效提高永磁伺服电机的动态响应速度和抗负载扰动能力。

关键词：永磁伺服电机模型预测位置控制滑模控制负载转矩观测器转动惯量辨识

自适应量测-通信联合框架下基于RMPC的AUV编队控制

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控制与决策 2025年第1期 271-278页

作者：王朝阳刁维卿徐博于双宁哈尔滨工程大学智能科学与工程学院中国船舶航海保障技术实验室

针对复杂海洋环境下自主无人航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)编队协同控制问题,提出一种自适应量测-通信联合框架下基于鲁棒模型预测的编队控制策略.所提出方法能够避免基于水声广播的显式通信交互方式在水下复杂条件下的... 详细信息

针对复杂海洋环境下自主无人航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)编队协同控制问题,提出一种自适应量测-通信联合框架下基于鲁棒模型预测的编队控制策略.所提出方法能够避免基于水声广播的显式通信交互方式在水下复杂条件下的延迟和丢包等不利因素.首先,提出一种自适应量测-通信联合框架,利用非显式通信实现编队内部状态的观测,并引入自适应卡尔曼滤波对量测-通信链路中存在的外部扰动进行补偿;然后,在该框架下,设计辅助控制律并将其引入分布式鲁棒模型预测控制器,实现多条件约束下的AUV编队跟踪控制,并通过Hamilton函数和终端约束等理论验证编队控制器的稳定性;最后,通过对5艘AUV组成的编队在不同情景下的仿真结果进行对比分析,验证所提出方法的有效性.

关键词： AUV 编队控制自适应量测-通信联合框架虚拟轨迹鲁棒预测控制

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欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真

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哈尔滨工程大学学报 2023年第9期44卷 1501-1509页

作者：谢天奇李晔姜言清庞硕张文君徐雪峰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 河南省水下智能装备重点实验室河南郑州450015 中国船舶航海保障技术实验室天津300131

为解决欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)移动式回收控制问题以及无法直观展示移动式回收过程的情况,本文设计了一套半物理仿真系统并通过视景仿真模块实时显示AUV与移动式回收装置在虚拟海洋环境中的位姿变化... 详细信息

为解决欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)移动式回收控制问题以及无法直观展示移动式回收过程的情况,本文设计了一套半物理仿真系统并通过视景仿真模块实时显示AUV与移动式回收装置在虚拟海洋环境中的位姿变化。首先介绍了移动式回收任务的流程;然后设计了一种新的前向速度导引律,并利用基于AUV模型的轨迹跟踪控制方法计算控制指令;最后搭建了半物理仿真系统且由视景仿真界面实时展示移动式回收装置与AUV的位置与姿态信息。仿真结果表明:当AUV由不同位置出发时基于模型的轨迹跟踪控制方法都能控制AUV顺利地靠近移动式回收装置、安全稳定地完成移动式回收任务。

关键词：自主水下航行器欠驱动AUV 轨迹跟踪控制半物理仿真视景仿真移动式回收水下回收

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