自治水下机器人一种新型非接触充电模式应用探讨

分析国内外无人潜水器的供电方式现状,指出能源是制约自治水下机器人(AUV)续航能力以及作业时间的一个主要因素.简要介绍非接触式感应电能传输技术的原理、优点.以及国内外的研究成果和发展趋势.针对自治水下机器人原有供电方式的局限,提出用感应电能传输技术结合可充电电池对AUV进行供电设计的方法与重点问题,还探讨了非接触充电方式在AUV以及其它领域的应用前景与技术优势.     

AUV水下对接装置控制系统设计

自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)在航行使命结束后需要回收至甲板或陆地进行补给和维护。为避免重复布放回收所带来的不便,根据锥形导向式回收原理,针对水下对接装置及其控制系统进行了设计。水下对接装置控制系统由水面控制终端,水下控制系统和水下外部设备等部分组成,使用超短基线引导AUV进入指定区域,在对接过程中依靠行程开关和无线电反馈的信息判断AUV的相对位置及状态,并通过驱动相应的液压机构对AUV姿态进行校正和固定,进而完成对接过程。水下对接装置在千岛湖进行了试验,在吊装水下7 m的情况下实现了AUV的水下对接,并利用湿插拔电连接器完成了对AUV的有线充电和数据上传。试验验证了对接方案的可行性以及控制系统的稳定性,为将来AUV能够进行长时间、不间断航行提供了可能。     

基于AUV的声纳水下目标实时探测机制研究

针对传统船载声纳探测水下目标存在成像分辨率低、主观性强、耗时长、应用区域局限,以及自主式水下潜航器(autonomous underwater vehicle, AUV)受水声通信限制导致数据无法实时回传、处理及目标实时探测的问题,提出了一种基于AUV的声纳水下目标实时探测机制。首先对基于AUV搭载声纳设备实施水下目标探测的系统进行了阐述;然后提出了基于AUV的声纳水下目标实时探测实施流程和关键技术;最后通过海上试验,验证了该机制在一定程度上克服了水声通信限制,实现实时、高效、智能的水下目标探测,具有较强的实际指导意义。     

便携式AUV水下对接过程中的碰撞分析与罩式对接平台优化设计

以便携式自主水下机器人(AUV)和罩式导向对接平台的水下对接过程为研究对象,将碰撞力大小和对接时间作为评价指标,研究导向罩形状、对接管尺度以及AUV与对接管的偏心距对整个对接过程的影响。在三维建模的基础上,使用ADAMS软件进行动力学仿真分析,结果表明,减小导向罩开口角度、增大对接管直径、减小偏心距可以适当减小碰撞力和对接时间。通过对上述影响因素与评价指标建立函数关系,利用多目标优化设计的方法并结合实际情况对参数做出合理的分析和筛选,为水下机器人对接平台提供设计依据。     

基于水下绞车的实时传输潜标研制及海上试验

针对“透明海洋”工程对水下实时、长期、连续观测的迫切需求,开展基于水下绞车的实时传输潜标研制。该型潜标采用水下绞车牵引卫星通信浮标的方式,将潜标上搭载的测量仪器观测数据通过铠装通信缆传输到卫星通信浮标,当卫星通信浮标浮出水面时,再通过卫星通信传输至数据接收处理装置,完成数据传输后,水下绞车牵引卫星通信浮标至海面以下50 m,从而实现潜标系统的实时传输功能。本文详细介绍了基于水下绞车的实时传输潜标系统设计及关键组部件设计,并通过海上试验验证了该型潜标海上应用的可行性。     

面向ARV的视觉辅助水下对接方法研究

针对水下机器人作业过程中的近距离引导水下对接问题,以自治缆控水下机器人(ARV)为研究对象,为实现快速、高精度的水下对接,设计了基于反射光源识别的单目视觉辅助水下对接方法。通过在对接口布置反光带并将其作为目标图像,设计了图像处理和特征点提取的算法,经过图像特征信息的分析处理,优化算法的时间复杂度,提高了特征点提取的准确率和识别效率。最后设计了传统的引导灯方案与反光带方案的对比试验,验证算法的可行性,证明在水下环境下识别反射光源的方法极大提升了位置估计的准确率,同时在计算速度上也有显著提高,弥补了传统水下对接方法中精度不足或计算量大的缺陷,更好地满足了ARV水下对接的需求,能为潜水器实现水下自主对接提供参考依据。     

水下实时观测潜标系统技术发展

综述了水下实时观测潜标系统及其技术进展。以潜标技术为基础,通过水下绞车、自升降通信浮标、水下滑翔机及波浪滑翔器等技术途径,设计了水下实时观测系统方案,探讨了水下数据实时传输关键技术,开展了水下观测数据实时传输功能验证试验,初步实现了观测数据实时/准实时传输。     

水下无线光通信中关键技术的研究与进展

由于水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)具有高速率、低延迟和高保密性等优势,成为了水下无线通信的潜在应用。针对 UWOC 系统的模型及研究现状进行了简要的总结,重点阐述了 UWOC 系统所用到的关键技术,包括光源的选择、调制编码、探测、信道建模等关键技术, 并介绍了一种 UWOC 系统的设计方案。最后针对实现水下长距离通信和高速率传输等问题,总结了 UWOC 未来的发展趋势及所面临的挑战,为 UWOC 将来的发展方向及实用化提供了参考。     

水下目标监视系统发展综述

从水下攻击具有相当的隐蔽性,因此重要目标的水下防御已成为各国需要重点考虑的问题。水下目标监视系统是减少敌方入侵,降低袭击破坏程度,保卫港口、码头等重大设施,远程监管无人岛,维护海洋权益,保障海洋环境安全的关键。本文阐述了水下目标监视系统的重要意义,概括了国内外水下监视系统的发展现状,并针对未来我国水下目标监视系统的发展,提出了设计和建设思路。     

水下目标光学隐蔽参数测量方法研究

水下目标光学隐蔽参数测量技术在光学侦察、探测水下目标等军事运用中发挥了非常重要的作用。为了改变以往使用透明度盘测量海洋光学参数方式,提高测量的效率和测量结果精准度,在分析水下目标光学隐蔽参数的基础上,设计了船载水下目标光学隐蔽参数测量方法,利用lightools软件优化光学探头设计,采用无线方式实时传输海水光学参数数据,并进行了海上实验,测量得到了海水辐照比、海水体衰减系数和漫衰减系数,完成水下目标光学隐蔽参数分析,实验证明了该测量方法的可行性和可靠性。     

水下滑翔机器人研究进展及应用

水下滑翔机器人（AUG）是一种将浮标技术与传统水下机器人技术相结合的新型水下机器人,可用于长时间、大范围的海洋环境测量和监测,具有较高的可控性和机动性。在欧洲地区海洋环境安全（MERSEA）中水下滑翔机器人扮演了重要的角色,未来其应用领域将更加广泛,性能更加先进。     

Experiments on vision guided docking of an autonomous underwater vehicle using one camera

This paper introduces an underwater docking procedure for the test-bed autonomous underwater vehicle (AUV) platform called ISiMI using one charge-coupled device (CCD) camera. The AUV is optically guided by lights mounted around the entrance of a docking station and a vision system consisting of a CCD camera and a frame grabber in the AUV. This paper presents an image processing procedure to identify the dock by discriminating between light images, and proposes a final approach algorithm based on the vision guidance. A signal processing technique to remove noise on the defused grabbed light images is introduced, and a two-stage final approach for stable docking at the terminal instant is suggested. A vision-guidance controller was designed with conventional PID controllers for the vertical plane and the horizontal plane. Experiments were conducted to demonstrate the effectiveness of the vision-guided docking system of the AUV.     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

一种基于超短基线定位的便携式AUV回坞导航方法

自主水下机器人(AUV)对接技术是目前水下机器人的研究热点,精确可靠的AUV的回坞导航是实现对接的关键技术。对于追求轻便的便携式AUV的对接系统,考虑到便携式AUV的搭载能力有限又需要足够的定位精度用于对接,提出了一种基于超短基线(USBL)定位的回坞导航方法,该方法让AUV只需装载电子罗盘和水声应答器就能完成精确的回坞定位。根据导航方法的特点,设计了一种改进的扩展卡尔曼滤波算法,其优点是能在处理滞后的USBL数据的同时动态估算海流、更新状态方程以消除海流造成的定位误差。通过湖试和大量仿真实验,验证了定位算法在海流影响下的定位性能。     

面向海洋观测的长续航力移动自主观测平台发展现状与展望

南海拥有丰富的渔业资源,其中南海中南部大洋性、上升流区域更是具有很大的开发潜力和商业价值.西沙群岛位于南海中部,是我国海南省三沙市的重要组成部分之一.西沙群岛及其附近海域气候条件优越,拥有丰富的海洋渔业、海洋植被和油气矿藏等海洋资源,其中又以渔业资源的开发潜力最大.在南海问题近年来显著升温的背景下,通过推动加大南海特别是西沙海域的渔业资源开发力度,妥善处理南海争议、更好地维护我国南海主权权益,具有重要的现实意义和深远影响.     

Low-bit-rate coding of underwater video using wavelet-basedcompression algorithms

Recent advances in autonomous underwater vehicle (AUV) and underwater communication technology have promoted a surge of research activity within the area of signal and information processing. A new application is proposed herein for capturing and processing underwater video onboard an untethered AUV, then transmitting it to a remote platform using acoustic telemetry. Since video communication requires a considerably larger bandwidth than that provided by an underwater acoustic channel, the data must be massively compressed prior to transmission from the AUV. Past research has shown that the low contrast and low-detailed nature of underwater imagery allows for low-bit-rate coding of the data by wavelet-based image-coding algorithms. In this work, these findings have been extended to the design of a wavelet-based hybrid video encoder which employs entropy-constrained vector quantization (ECVQ) with overlapped block-based motion compensation. The ECVQ codebooks were designed from a statistical source model which describes the distribution of high subband wavelet coefficients in both intraframe and prediction error images. Results indicate that good visual quality can be achieved for very low bit-rate coding of underwater video with our algorithm     

水下光学无线通信的海水信道特性研究

提出了将具有比声学高达几倍的数据通信速率,良好的安全性和隐蔽性的光学无线通信技术应用于海军、海洋科学研究和水下工程等领域,实现高速率的水下无线通信技术实现海量数据的信息交换.基于生物光学特性的水下光学信道模型,建立了水下光学通信系统性能分析方法.并对基于发光二极管(LED)的水下光学无线通信系统进行了仿真,其结果表明所建立的方法可以进行各种海域水质环境的模拟,便于时水下光学无线通信系统性能进行预测评估,为水下光学无线通信系统的设计方案的评估提供了依据.     

水下机器人视频图像高效压缩方法研究

水下视频图像压缩一直是有限带宽水声信道实时传输海量视频数据的关键技术之一。本文首先介绍了目前水下机器人和水下视频图像压缩研究存在的主要问题，并综合分析了目前几种高效视频压缩方法的特点并探讨了进一步研究的方向。此外，根据水下视频的成像特点，提出了高效的全局与局部运动混合补偿方案和基于小波变换的预处理方法。初步实验结果表明：本文提出的预处理方法可以有效去除视频图像中存在的大量视觉冗余和空间冗余，提出的混合运动补偿方案可以获得很高的压缩编码效率；但必须进一步研究快速、有效的全局运动估计方法。     

Closed-loop randomized kinodynamic path planning for an autonomous underwater vehicle

A randomized kinodynamic path planning algorithm based on the incremental sampling-based method is proposed here as the state-of-the-art in this field applicable in an autonomous underwater vehicle. Designing a feasible path for this vehicle from an initial position and velocity to a target position and velocity in three-dimensional spaces by considering the kinematic constraints such as obstacles avoidance and dynamic constraints such as hard bounds and non-holonomic characteristic of AUV are the main motivation of this research. For this purpose, a closed-loop rapidly-exploring random tree (CL-RRT) algorithm is presented. This CL-RRT consists of three tightly coupled components: a RRT algorithm, three fuzzy proportional-derivative controllers for heading and diving control and a six degree-of-freedom nonlinear AUV model. The branches of CL-RRT are expanded in the configuration space by considering the kinodynamic constraints of AUV. The feasibility of each branch and random offspring vertex in the CL-RRT is checked against the mentioned constraints of AUV. Next, if the planned branch is feasible by the AUV, then the control signals and related vertex are recorded through the path planner to design the final path. This proposed algorithm is implemented on a single board computer (SBC) through the xPC Target and then four test-cases are designed in 3D space. The results of the processor-in-the-loop tests are compared by the conventional RRT and indicate that the proposed CL-RRT not only in a rapid manner plans an initial path, but also the planned path is feasible by the AUV.