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.     

基于遗传算法的水下机器人大范围路径规划

智能水下机器人（AUV）研究领域中的一个重要问题是全局路径规划，它的目标是在已知障碍物的环境中寻找一条从起始状态到达目标状态的无碰路径。提出一种分层遗传算法来解决大范围海洋环境下AUV的路径规划问题。详细介绍了算法的实现，并进行了仿真实验，仿真结果证明了该算法的有效性。     

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.     

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.     

基于势场法的水下机器人局部路径规划研究

本文阐述了用势场法解决矩形形状水下机器人局部避碰问题的方法。首先针对障碍物和目标对机器人的作用特点,确定了斥力和引力势函数的形式;然后根据刚体的运动特性讨论了机器人的平移和转动规则,提出了机器人局部避碰算法;最后在两台微机上以网络的形式进行了避碰模拟,给出了仿真结果,对一些问题进行了讨论。     

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.     

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.     

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.     

水下自航器的时变运动模型

为开发研制大航程、变速度的水下自航器 ,实现更精确的控制和导引 ,需建立水下自航器的时变运动模型。利用刚体分析动力学和理论流体力学的基本理论 ,研究水下自航器因燃料的消耗而引起的质量变化、质心位置和转动惯量的变化 ,导出描述其变化规律的方程 ;研究因推力变化而引起速度的改变 ,导出推力变化方程。在此基础上 ,推导出水下自航器空间运动方程组 ,并将数学模型表达成简明的矩阵形式 ,为研究变质量、变速度水下自航器的运动性能和设计控制及导引律提供基础     

单信标测距AUV水下定位系统观测性分析

针对基于单信标测距的自主水下航行器(AUV)定位系统观测性问题,建立AUV三维空间运动学模型,选取实物平台常用的深度、偏航角和俯仰角作为基本观测量辅助距离信息进行水下定位,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析不同辅助测量值下系统的可观性以及控制输入和运动路径对可观性的影响。研究结果表明:满足定位系统可观测的最简量测组合为距离值和偏航角,含有偏航角的辅助量测组合均使得定位系统可观测,系统控制输入和运动路径的变化会导致可观性发生变化。     

基于多智能体的自主驾驶车辆仿真调试系统

自主驾驶车辆系统是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统 .为方便对系统进行调试和分析 ,设计和开发了该系统的可视化仿真调试系统 .实验结果表明了该系统的有效性 .     

基于S模型的水下机器人改进人工免疫控制器

为分析水下机器人非线性运动控制系统的特点,采用基于生物免疫生理特性与免疫应答的免疫控制方法,结合Sigmoid非线性模型和函数简化策略,得到改进型免疫控制器.水下机器人仿真试验表明,该控制器具有设计简单、响应速度快、超调小、鲁棒性好等优点.     

基于干扰观测器的AUV深度自适应终端滑模控制

针对欠驱动自治水下机器人（autonomous underwater vehicle,AUV）在外部干扰和系统内部扰动下深度难以控制的问题,提出基于非线性干扰观测器（nonlinear disturbance observer,NDO）的自适应终端滑模控制方法。首先建立欠驱动AUV在垂直面上的状态方程并对其简化,其次根据简化后的系统状态方程构建NDO对外部干扰进行观测,再结合反步法设计出自适应终端滑模控制器;最后通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制系统的稳定性。结果表明：欠驱动AUV最大跟踪误差为0.137 5 m,峰值时间为2.1 s,证明了所设计的控制器能够实现深度控制,降低抖振,具有较强的鲁棒性。     

基于EKF的无人潜航器航位推算算法

为了解决传感器的安装角偏离误差以及量测误差导致的无人潜航器(AUV)在水下自主航行时不能满足长时间导航定位的要求,对航位推算算法进行了研究.针对AUV在高纬度、长时间航行中曲率半径的变化,采用地球参考椭球体作为地球几何形状的数学描述;针对数据滤波实时性的要求,基于扩展卡尔曼滤波(EKF)对卫星导航系统(GPS)数据进行滤波,并利用AUV湖试数据对传感器的安装偏离误差进行了校正.对提出的导航算法进行了试验验证,结果表明AUV的自主导航定位精度为0.75%,满足设计要求,并优于改进前的航位推算算法.     

基于Mission Planner的无人机自主导航测量系统设计与实现

针对目前测量工具价格较为昂贵、测量手段多采用人工采集的方式,设计一款基于Mission Planner开源地面站和全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)相结合的无人机自主导航测量系统。该系统由四旋翼无人机、APM(advanced power management)控制器、Mission Planner地面站和PPK(post processed kinematic)后差分系统构成,共设计手动和自动导航两种控制方式。自动导航模式中可通过Mission Planner地面测控系统的地图模块、数据交互模块,实现无人机按照设计预设航线进行飞行,并获取目标点的空间三维坐标。通过GNSS-BDS/GPS系统定位试验和自动导航对比试验得出,此套自动测量系统静态达到厘米级的定位精度,自动导航模式下的定位精度达到分米级。最终将其应用到点位坐标测量中,该系统所测得数据误差控制在10 cm内,满足测量工作中的基本需求。研究结果可对今后开展全自主测量技术设备的研发提供理论基础和实践参考。