自主水下机器人水下接驳插拔传输与无线感应传输研究现状及对比分析

水下对接传输技术作为自主水下机器人（autonomous underwater vehicle,简称AUV）水下能源补给及数据传输的重要方式,受到国内外的重点关注,目前采用的水下对接传输方式主要分为接驳插拔传输及无线感应传输。在探究国内外AUV水下对接研究概况的基础上,归纳、总结以上两种传输方式的研究现状,分析对比其在对接传输效率、发展限制因素、对接控制技术等方面的区别。通过分析发现,接驳插拔传输在传输效率及功率方面具备优势,无线感应传输则具有更高的简易性、经济性。此发现为不同作业需求下传输方式的选择提供了基础。通过技术发展限制因素对比得出,在未来技术发展方向上,接驳插拔传输技术需提升系统稳定性、灵活性及费效比,无线感应传输需解决能量损耗、系统鲁棒性及涡旋损耗等问题。对两种传输技术未来发展前景及方向的预测,能够为AUV水下传输的发展提供重要参考。     

水下机器人推力器布置及控制仿真研究

针对自治水下机器人(Autonomous underwater vehicle,AUV)推力器布置和控制仿真的困难性及以往电机仿真难以进行的缺点,提出1种进行多推力器运动仿真的方法,该方法建立的模型克服了推力器推力控制系统不能与电机结合的问题,能较好地反映推力器布置和电机的响应情况,可为AUV的运动控制、布置设计及控制系统开发等提供验证模型.针对流线型AUV CRanger-2的推力器布置情况,在对其建立推力器模型的基础上,利用模型对设定推力下的推力器控制进行仿真.仿真结果表明:该方法能够有效地模拟推力器布置既定情况下的电机运动与推力控制,可为水下机器人控制策略优化提供仿真平台.     

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。     

自治水下机器人机械手系统协调运动研究

简单描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计,鉴于自治水下机器人-机械手系统运动学冗余、内部可能干涉以及载体圆筒式外形等特点,将惩罚调节因子引入系统运动学伪逆矩阵,保证了关节在允许范围内运动,避免载体大幅度姿态变化及载体与机械手之间的干涉,同时采用梯度投影法优化海流作用下的系统推力。仿真表明,该算法在解决系统冗余度的同时,有效地协调多任务下的系统动作。     

AUV自主导航航位推算算法的分析研究

地球形状的不规则性,各种导航传感器本身的误差,以及仪器的安装偏差等,使得AUV(自治水下机器人)在进行远距离自主航行时,自主导航的精度大大下降。针对以上问题及实际工程需要,论文对AUV自主导航的航位推算算法做了进一步研究并加以改进,以提高其自主导航精度。最后,利用2004年中国科学院沈阳自动化所水下机器人研究中心进行AUV湖试所获得的数据,对文中提出的算法进行了验证。结果表明,AUV的自主导航精度得到大大提高,可以用于修正原来的自主导航算法。     

波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计

移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制,影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标,该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成,利用波浪垂荡运动,推动水下推进机构叶片的摆动,引起水下推进机构在水平方向向前的升力,使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机,并进行了海试。实验表明,在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。     

水下仿生扑翼机器人的发展现状综述

参照蝠鲼等鱼类游动方式所研制的水下仿生扑翼机器人具有效率高、机动性强、负载能力大等多方面优势。由于其广阔的应用前景,水下仿生扑翼机器人已逐步成为水下航行器领域的研究热点。本文系统地将蝠鲼的生物学特性、机器人的结构设计、动力学模型、单体运动控制、集群运动控制以及实验研究等方面的国内外研究进展进行了总结和梳理。已有的研究表明：水下仿生扑翼机器人正在朝着软体化、集群化、 高机动等方向发展,新兴的水下仿生扑翼机器人及仿生集群能够更加精确的模拟真实生物的游动姿态,并开展相关任务。当下的研究为水下仿生扑翼机器人性能的进一步优化与提升奠定了坚实的理论与实践基础。     

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。     

深海ARV在海洋资源调查中的应用及展望

深海自主/遥控式水下机器人（ARV）作为新兴的复合型水下机器人,融合了自主式水下机器人的灵活性和遥控式水下机器人的人机交互性等优势,开启了自主与遥控混合作业的新模式。深海ARV可切换为AUV自主航行模式,独立采集周边区域近海底地形地貌、地质结构以及环境参数等数据,也能下潜至目标区域后切换为ROV遥控模式进行局部观察和采样操作,其探测作业一体化技术代表了具备复杂使命执行力的第三代深海水下机器人的发展方向。通过分析国内外深海混合型水下机器人的发展现状,结合ARV在中国深海矿产资源调查中的主要应用案例和取得的成果,以6 000米级“问海一号”ARV系统的研发为例,给出其关键技术集成以及面对的技术挑战,并对未来深海ARV的应用场景、功能集成和发展方向提出了一些设想和建议。     

“探索者”号无缆自治水下机器人的信息系统

本文主要介绍“探索者”号无缆自治水下机器人信息系统及构成，它分为水上、水下两大部分、最后，详细介绍了水上信息系统的特点。     

Numerical investigation of the hydrodynamic interaction between two underwater bodies in relative motion

The hydrodynamic interaction between an Autonomous Underwater Vehicle (AUV) manoeuvring in close proximity to a larger underwater vehicle can cause rapid changes in the motion of the AUV. This interaction can lead to mission failure and possible vehicle collision. Being self-piloted and comparatively small, an AUV is more susceptible to these interaction effects than the larger body. In an aim to predict the manoeuvring performance of an AUV under the effects of the interaction, the Australian Maritime College (AMC) has conducted a series of computer simulations and captive model experiments. A numerical model was developed to simulate pure sway motion of an AUV at different lateral and longitudinal positions relative to a larger underwater vehicle using Computational Fluid Dynamics (CFDs). The variables investigated include the surge force, sway force and the yaw moment coefficients acting on the AUV due to interaction effects, which were in turn validated against experimental results. A simplified method is presented to obtain the hydrodynamic coefficients of an AUV when operating close to a larger underwater body by transforming the single body hydrodynamic coefficients of the AUV using the steady-state interaction forces. This method is considerably less time consuming than traditional methods. Furthermore, the inverse of this method (i.e. to obtain the steady state interaction force) is also presented to obtain the steady-state interaction force at multiple lateral separations efficiently. Both the CFD model and the simplified methods have been validated against the experimental data and are capable of providing adequate interaction predictions. Such methods are critical for accurate prediction of vehicle performance under varying conditions present in real life.     

水下自主航行观测平台在现调试系统的研究

利用CPLD硬件模块研发了一套能够嵌入到基于分布式控制体系的水下运动观测平台的在现调试系统,能够实现对系统内的多个节点实现在现调试和数据传输,加快了水下运动平台的研制、开发和调试进程。     

集成深拖与AUV对洋中脊热液喷口的联合探测

热液喷口探测是目前国际上的热点,探测技术方法也多种多样。阐述了集成深拖与自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)探测技术,重点介绍了集成深拖的组合特性。针对热液喷口的探测需求,根据集成深拖与AUV两种方法的优点,提出两种技术方法的联合探测。以一个实际探测的区块为例,讨论了两种方法联合探测的实效性。指出该技术方法可更快速地探测热液的异常范围,同时可降低AUV下潜的盲目性,也可以减少AUV的下潜次数,节约了海上调查时间,提高探测效率。最后指出了现场探测与数据分析需进行深拖位置校正和关注底流及地形对热液羽状流空间分布的影响两个重要问题,为未来的热液探测提供了指导作用。     

日本海洋科学技术中心技术发展现状

主要介绍了日本海洋科学技术中心已研制成功的各类潜水器 ,包括无人缆控潜水器 (ROV)、载人潜水器 (HOV)和无缆自治潜水器 (AUV) ,着重介绍它们在日本海洋科学研究中发挥的作用     

水下自航式海洋观测平台技术发展研究

水下自航式海洋观测平台是一种新型海洋观测平台，主要用于无人、大范围、长时间水下环境监测，包括物理学参数、海洋地质学和地球物理学参数，海洋化学参数、海洋生物学参数及海洋工程方面的现场接近观测。其特点是：成本低，环境适应性强，可冲破人工潜水极限而进入现场进行接近观测，免除了ROV需要水面支援母船的累赘，减少作业经费，体积小，使用方便，便于布放回收；可根据水声信号摇控或预置程序控制，按要求进行相关项目观测；有自主动力，水下运行时间相对较长，有源噪声低，可进行隐弊观测，正是基于以上的优点，近几年颇得海洋环境监测和海军方面的青睐，本文介绍了国际上水下自动观测平台的发展历史和现状，提出了我国开展研究水下自动观测平台的重要性及研究的面容。     

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。     

Power systems for autonomous underwater vehicles

In this paper, we examine the issues involved in designing battery systems and power-transfer (charging) techniques for Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) operating within an Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN). We focus on three different aspects of the problem, battery chemistry, pack management and in situ charging. We look at a number of choices for battery chemistry and evaluate these based on the requirements of maximizing power density and low temperature operation particular to AUVs. We look at the issues involved in combining individual cells into large battery packs and at the problems associated with battery monitoring, and the charging and discharging of packs in a typical AUV application. Finally, we present a methodology for charging an AUV battery pack in situ in support of long term deployments at remote sites     

Stability Analysis on Speed Control System of Autonomous Underwater Vehicle

The stability of the motion control system is one of the decisive factors of the control quality for Autonomous Underwater Vehicle (AUV).The divergence of control,which the unstable system may be brought about,is fatal to the operation of AUV.The stability analysis of the PD and S-surface speed controllers based on the Lyapunov' s direct method is proposed in this paper.After decoupling the six degree-of-freedom (DOF) motions of the AUV,the axial dynamic behavior is discussed and the condition is deduced,in which the parameters selection within stability domain can guarantee the system asymptotically stable.The experimental results in a tank and on the sea have successfully verified the algorithm reliability,which can be served as a good reference for analyzing other AUV nonlinear control systems.     

Robust control based on feedback linearization for roll stabilizing of autonomous underwater vehicle under wave disturbances

In the case of Autonomous Underwater Vehicle(AUV) navigating with low speed near water surface,a new method for design of roll motion controller is proposed in order to restrain wave disturbance effectively and improve roll stabilizing performance.Robust control is applied,which is based on uncertain nonlinear horizontal motion model of AUV and the principle of zero speed fin stabilizer.Feedback linearization approach is used to transform the complex nonlinear system into a comparatively simple linear system.For parameter uncertainty of motion model,the controller is designed with mixed-sensitivity method based on H-infinity robust control theory.Simulation results show better robustness improved by this control method for roll stabilizing of AUV navigating near water surface.     

Sensitivity of AUV added mass coefficients to variations in hull and control plane geometry

The sensitivity of the added mass coefficients of a typical autonomous underwater vehicle (AUV) to changes in geometric parameters was investigated. Qualitative deductions were made concerning the effect of geometric variations. Then the added mass coefficients for several configurations of body geometry were generated for the Canadian Self-Contained Off-the-shelf Underwater Testbed (C-SCOUT) vehicle using the computer program Estimate Submarine Added Mass (ESAM). The changes in the added mass coefficients have direct relationships to the varied parameter. The results presented here are specific to the C-SCOUT, but may be extended to similar axisymmetric bodies.