一种智能水下机器人进行大范围海洋环境监测的方案与实验

采用智能水下机器人进行海洋环境的立体监测具有监测范围广,自主性强的特点。本文在探讨世界各国采用智能水下机器人进行海洋环境监测的情况的基础上,介绍了自主研发的智能水下机器人海洋大范围环境数据的自主采集系统,其主要优点是：相对于其他机器人,可实现“大范围” 海洋环境数据的采集;相对于固定式浮标,可实现海洋环境数据的“自主”采集。并给出了自主采集流程和软件分层递阶体系结构。在真实海域中,采用智能水下机器人,进行了国内首次大范围环境数据采集实航实验。实验结果表明采用智能水下机器人进行海洋环境的立体监测是切实可行的。     

水下滑翔机器人系统研究

水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人,可以作为水下监测平台用于大范围、长时间的大尺度海洋环境监测作业。文中调查了水下滑翔机器人的国内外发展现状,分析了其可能的应用领域。详细介绍了中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下滑翔机器人系统,包括载体外形优化设计、载体结构设计和控制系统设计。分析了水下滑翔机器人定常滑翔运动和空间螺旋会转运动的运动性能。     

基于RBF-MPC的水下机器人避碰控制

水下机器人避碰控制是自主作业的重要基础,但复杂的约束条件和模型的不精确性增加了避障路径跟踪的技术难度。在传统模型预测控制的基础上,结合作业场景多种约束条件,引入径向基函数神经网络,提出了一种水平面避碰控制方法。首先,采用径向基神经网络建立误差补偿函数,提高传统动力学预测模型精度;然后,结合避碰路径跟踪控制,在滚动优化环节选取性能指标函数,并显式引入障碍物、执行机构与控制稳定性等约束条件;最后,通过仿真试验证明该方法能够控制水下机器人跟踪避碰路径实现水平面内障碍物规避。     

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。     

多仿生机器人协同编队捕获策略

机器人的协同编队问题是一个综合性的研究课题,主要包括编队策略及路径规划 2 个阶段。针对单一机器人在未知水下环境中执行任务时能源受限等问题,提出一种基于改进蚁群算法的安全域协商捕捉策略,以解决多仿生机器人系统水下环境中对目标的协同编队捕获问题。机器人随机搜索过程中发现目标后, 利用安全域协商策略,实现目标机器人周围捕获点的分配;采用改进的蚁群算法实现编队过程的路径规划和自适应避障。在不同大小的障碍物环境中进行仿真实验,并与经典的路径规划算法进行对比,实验结果表明： 所提出的策略能够使机器人在复杂的水下障碍物环境中完成高效的协作编队捕捉任务,具备有效性。     

基于模糊PID的深海采矿机器人路径跟踪控制

深海采矿作业中,由于海底软泥稀软,采矿机器人极易打滑,以及海底地形、海流等干扰,采矿机器人容易偏离预定路径。针对采矿机器人的海底作业过程中路径跟踪问题,设计并分析了深海采矿机器人的路径跟踪控制系统。首先提出了艏向控制实现采矿机器人路径跟踪的控制算法,通过采矿机器人与当前目标点相对位置计算采矿机器人的目标艏向角,后基于运动学模型建立模糊比例积分微分(PID)的控制方法控制采矿机器人两侧转速差值进而控制采矿机器人艏向,从而使机器人按目标路径行走;同时为了防止输入过大引起打滑,基于动力学模型数值分析了采矿机器人主动轮角加速度与打滑率之间的关系,采取限制主动轮角加速度方式防止采矿机器人过度打滑;最后通过Matlab/Simulink建立系统模型对系统进行仿真分析。仿真结果表明,该控制算法能够良好地完成采矿机器人的路径跟踪任务。     

厦门海域水质自动在线监测浮标投放到位

为使水质监测能够更加及时、准确、全面地反映厦门海域水质的变化状况,从而为海洋环境保护以及防灾减灾等工作提供更高效的服务,厦门市海洋与渔业局海洋环境监测站2006年通过公开招标采购的方式购进4台水质自动在线监测浮标,并整合原有的水质自动在线监测设备,初步构建起了厦门海域水质自动在线监测网络。通过该市海洋与渔业局的用海审批以及海事、港口等相     

基于视觉定位的水下机器人无通信高精度编队技术研究

水下机器人集群技术是目前水下机器人技术领域的发展热点之一。针对以往基于通信的水下机器人编队存在的编队精度低、队形保持困难等问题,提出了基于水下矢量光图案及视觉定位的水下集群编队方法,并通过水池试验分别验证了视觉定位以及水下密集编队的功能和相关指标。试验结果表明：水下视觉定位能够达到不大于3%的定位精度和不小于2Hz的定位频率,能够为水下机器人自主航行提供准确连续的控制输入。基于视觉定位的水下集群能够实现相互距离10 m以内的密集编队,编队精度不大于10%,较以往基于通信的编队方法有较大提升。     

深海大型爬行机器人研究现状

对海底不同作业形式的深海大型爬行机器人进行了分类综述,依据当前深海大型爬行机器人在各方面的应用,将其分为了深海采矿机器人和深海挖沟机器人两大类,并对这两类中的一些性能突出的机器人进行了详细的介绍。重点介绍我国第一代、第二代多金属结核采矿机器人,SMD的3个多金属硫化物开采机器人,中科院深海所的富钴结壳规模采样爬行机器人,喷射式挖沟爬行机器人QT2800和机械式挖沟爬行机器人BT2400。并对深海大型爬行机器人的海底复杂行走技术和导航定位技术进行了阐述。行走技术方面,重点介绍Nexans公司的带有铰接式行走腿系统的Spider Dredger,中南大学的铰接履带式采矿机器人和北京矿冶研究总院的复合轮式机器人。导航定位方面,介绍了当前一些在用的深海导航定位技术。最后,对未来深海大型爬行机器人的发展趋势进行了展望。     

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。     

一种基于视觉的水下机器人动力定位方法

以7 000 m载人潜水器的工程需求为背景,以水下单目摄像机为视觉传感器,进行了水下机器人动力定位方法研究。该动力定位方法利用视觉系统测量得到水下机器人与被观察目标之间的三维位姿关系,通过路径规划、位置控制和姿态控制分解,逐步使机器人由初始位姿逼近期望位姿并最终定位于期望位姿,从而实现了机器人的4自由度动力定位。通过水池实验验证了提出的动力定位方法,并且机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动。同时,该动力定位方法还可以实现机器人对被观察目标的自动跟踪。     

水下机器人标准体系框架构建探索

水下机器人作为一类特种机器人,日益成为探索海洋奥秘、开发海洋资源的重要工具,被称为海洋高技术的皇冠,正逐步成为国家间海洋技术竞争的制高点。水下机器人标准体系最直接的作用是指导、规范水下机器人标准制定工作,使人们清楚水下机器人标准化工作方向和重点,有助于推动水下机器人研发和产业化进程,促进快速、健康发展。文章在介绍国内外水下机器人标准制订的基础上,探讨水下机器人标准体系框架构建思路,提出标准体系建设路径,明确水下机器人标准化工作范围和领域,并构建了水下机器人标准体系序列结构、三维结构、层次结构3种框架模型,为构建我国水下机器人标准体系提供了有价值的参考。     

遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析

脐带缆收放技术是有缆遥控水下机器人的一项关键技术,该技术直接影响水下机器人载体的收放及作业过程中脐带缆的安全。针对目前水下机器人收放系统中脐带缆收放技术的特点,给出了一种具有自动排缆、低张力缠绕、能够提供大牵引力和安全制动功能的紧凑新式脐带缆绞车方案,并对牵引绞车与储藏绞车之间脐带缆张力与牵引绞车的牵引力进行了理论分析,给出了二者之间的关系函数。     

近岸水质遥感评价参数的选择及评价模型的研究

利用遥感技术的水质评价是海洋环境监测的必然趋势,但目前可通过遥感技术反演的水质参数种类远少于《海水水质标准》中的35项,因此遥感监测时必须反演的水质参数有哪些?利用有限的参数该建立怎样的水质评价模型?成为我们关心的问题。本文以雷州半岛海域为研究对象,通过对实测数据的分析得出13种水质参数中的主导参数为总氮(N)、总磷(P)、化学需氧量(COD)、酸度(pH)、溶解氧(DO)这5种;再通过数理统计理论得出这5种参数对水质分类判别能力的大小关系为:COD> DO> P> N> pH,分别建立对应的五参数、四参数、三参数水质评价模型,并确定最优评价模型。即,雷州半岛海域水质遥感评价时必须反演的参数为COD、DO、P和N,水质综合评价模型为四参数模型,为后续其他海域水质的遥感监测提供可借鉴的方法。     

基于蚁群算法深海采矿机器人工作路径规划

针对深海采矿机器人路径规划问题,提出一种适合于采矿作业的改进蚁群算法。该算法利用位图法建立环境模型,依据构型空间的思想将路径规划问题简化为质点运动问题;利用改进的蚁群算法对问题进行描述,蚁群搜索中采用邻居搜索原则和中线偏移策略。最后通过仿真实验表明,该算法精度高,在海底环境中,能够完成机器人采矿作业的要求。     

微型缆控水下观测机器人推进动力分析

文中针对一款配置4个螺旋桨且五自由度运动可控的微型缆控水下观测机器人进行了推进动力性能分析,采用流体力学方法计算了螺旋桨推力和扭矩,以及机器人的总体运动阻力和运动效率等关键动力参数。该水下机器人利用水平配置的螺旋桨推进器可实现前后移动和横向转弯,利用两个V型配置螺旋桨推进器可完成垂向、横向和横滚运动。文章首先对单个螺旋桨转速分别为3 000 rpm,4 000 rpm,5 000 rpm时进行了水动力学分析,计算了不同转速下对应的前向推力和阻力扭矩,拟合了转速-推力和转速-扭矩曲线;其次,对水下机器人整体模型在前向、横向和垂向三个方向上进行了水动力学计算,分析了机器人的整体运动阻力,拟合了机器人的速度-阻力曲线;然后,对应比较螺旋桨的转速-推力曲线和机器人的速度-阻力曲线,大致得出不同螺旋桨转速下机器人的推进速度,明确螺旋桨转速与机器人运动速度的对应关系,为螺旋桨水动力分析确定入口速度;最终,根据螺旋桨入口速度,重新计算螺旋桨水动力,绘制了转速-推力和转速-扭矩曲线,并确定机器人的推进效率,得出了螺旋桨转动和水下机器人整体运动的关键动力参数。     

谁说机器人不会思考？

机器人能够像人类一样自我学习、解决许多奇怪的问题？这个听起来像科幻小说中的情节。日本科学家正努力将其变成科学事实。     

夏季三亚湾近岸海域海水水质状况分析与评价

根据2004—2008年三亚湾近岸海域的水质监测结果,采用水质单因子质量指数评价法、有机污染指数法和富营养化水平法对三亚湾近岸海域水质污染状况进行分析评价,并采用秩相关系数法对该海域近5a水质状况进行趋势分析。结果表明:三亚湾近岸海域主要污染物浓度较低,单因子指数值较小;该海域近5a有机污染指数值较小,水质良好;该海域近5a中均处于贫营养化水平,富营养化程度较低;趋势分析显示该海域水质呈逐年上升趋势,但不显著。     

深海机器人视景仿真系统研究

以载人深潜器的各种水动力参数和实际尺寸为基础,根据几何空间坐标方程建立了其运动学模型,采用MultiGen公司的Creator建模工具和Vega视景环境完成了在深海虚拟环境下的系统仿真。该系统可以实现深海机器人的可视化,更加直观、生动和实时的反映其位姿状态和水面、水下巡航过程。该系统实际应用在中国科学技术馆深海机器人展馆项目上,一方面展示载人深潜器的水下工作过程,同时也使得观众有机会亲身体验潜水器的操纵与驾驶。实际运行结果表明,该系统逼真地演示了载人深潜器水面备航、无动力下潜以及近海底巡航等仿真过程,能够满足系统仿真的实时性要求。该系统还可以应用到深海环境模拟研究、水下机器人运动仿真、控制系统调试以及操纵驾驶训练等中。     

模块化自主水下机器人开发与应用

当前智能化装备采用模块化设计理念,在许多行业领域里得到了广泛的推广应用,凸显了模块化设计理念的优越性和先进性。本文即以模块化设计理念为主导,将自主水下机器人(AUV)按功能划分为艏部模块、能源模块、主控及导航模块、艉部推进模块及载荷扩展模块。每个模块具备相同的机械电气接口,实现了模块的快速更换与功能增减。在该设计理念下,实现了自主水下机器人的系列化。为海洋技术领域在水声定位与验证,组网与高机动遥测遥控系统,环保监测,水下涵道探测,水底地形地貌探测,以及海洋水体立体监测等方面提供了有力支持和保障,通过相关部门的应用,取得了良好的效果并赢得了好评。本文以河北工业大学和天津瀚海蓝帆海洋科技有限公司技术团队研发的系列产品为例,通过不断地进行产品的迭代更新,充分展示了产品快速地成熟化。为此本文愿与广大同行深入交流,为促进我国海洋智能装备国产化推广应用和市场竞争力共同努力。