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。     

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。     

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。     

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。     

AUV搭载多波束声纳进行地形测量的现状及展望

多波束声纳是一种常用的水底地形测量设备,AUV搭载多波束声纳对深海地形进行测量得到了普遍应用。首先介绍了目前国内外AUV搭载多波束声纳在地形测量中的应用情况,然后总结了这种方式的高效率、高质量、高经济性等优点,并分析了导航定位精度、载体运动、系统兼容性等方面对于提高测量精度存在的技术难点,最后介绍了该技术的应用经验,并对该技术的未来应用前景进行了展望。     

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。     

基于改进量子粒子群算法的AUV路径规划研究

针对海洋环境下自主水下机器人（AUV）的路径规划问题,提出了一种基于框架四叉树的改进量子粒子群算法（QPSO）,首先使用框架四叉树的方法对障碍物建模,该方法提高了建模的精度且对后续算法的效率也有极大的改进,之后设计改进的量子粒子群算法,并且结合水下环境的特殊性设计适应度函数,综合考虑航线路径长度、偏转角度以及海流影响,使得算法可以在水下环境中寻得能耗最短的解路径。最后通过仿真试验验证,相比于传统的栅格法和粒子群算法,改进量子粒子群算法的运算时间更短,收敛速度更快,其独特的适应度函数可以使AUV能更好适应水下多变的环境,且能利用海流设计能耗更小的路径,具有很大的实用价值。     

一种基于温度动态估计的AUV锋面跟踪算法

针对海洋锋面快速观测的需求,本文提出了一种基于温度动态估计的自主水下机器人(AUV)锋面跟踪算法。首先,选择高斯过程回归(GPR)作为环境模型估计工具,对AUV近邻区的温度进行动态估计;接下来判断AUV当前的观测位置,在锋区内部执行沿梯度方向跟踪策略,在锋区边界执行沿等温线跟踪策略;最后,根据温度预测结果,指导在不同路径规划策略下的观测点选取,实现AUV的在线路径规划。本文使用该算法,对通过卫星遥感数据模拟的锋面观测区域进行仿真验证,研究结果显示,本文算法与常规方法相比,可以快速地完成锋面跟踪任务,并具有良好的环境适应能力,能够满足对不同形态锋面的观测需求。     

基于径向基神经网络的水下自主航行器寻源算法研究

针对水下航行器在二维信号场中的场源搜索问题,提出了一种基于径向基函数神经网络（radial basis function neural network,简称RBFNN）的在线自主寻源算法。在神经网络中引入全局正则化参数以保证泛化性和稳定性,通过最小化广义交叉验证误差（generalized cross-validation,简称GCV）进行正则化参数的迭代优化,并利用增量式奇异值分解（incremental SVD）对迭代过程进行加速,此外通过基于样本新颖性的资源分配网络算法（resource-allocating network,简称RAN）进行径向基函数的分配,在此基础上使用动量梯度算法进行航行器运动方向的规划。最后,以热泉区硫化氢浓度分布场中的搜索作业为背景,使用该算法与其他研究中的算法进行单峰值信号场的场源搜索模拟计算对比,结果显示该算法对于信号场梯度的估计更加准确,且搜索过程的路径更短。此外在多峰值信号场的寻源模拟中该算法能够以较高的成功率通过局部最大值区域。证明该算法具有良好的拟合、预测性能以及稳定性,并且能在一定程度上避免陷入局部最优解。     

基于水下自主航行器（AUV）的神狐峡谷谷底块体搬运沉积特征及其对深水峡谷物质输运过程的指示

海底峡谷是陆源物质向深海运移的重要通道。对于远离陆地的海底峡谷,通常认为浊流是物质搬运的主要营力。受限于探测精度和复杂作业环境影响,使用常规地球物理资料对深水海底峡谷尤其是对谷底沉积体的形态和结构特征的刻画不够精细。基于水下自主航行器（AUV, Autonomous Underwater Vehicle）采集的高分辨率多波束、旁扫声呐和浅地层剖面资料,对神狐峡谷群中的一条峡谷的谷底表面及部分浅部地层的沉积特征进行了分析。结果表明,峡谷谷底浅部地层并不像它平滑的表面那么简单,而是由大量内部杂乱弱反射、厚度在8.4 m及以下的块体搬运沉积体组成。峡谷中下游块体搬运沉积体大都沿峡谷走向整体呈条带状展布,不是直接来源于相邻的峡谷脊部。研究认为在特定沉积环境下（例如高海平面时期）,陆坡限定性峡谷谷底的块体搬运沉积过程的重复进行是峡谷谷底物质输运的重要途径,与浊流共同雕刻了峡谷的地形地貌。基于AUV的地球物理探测技术将是研究海底浅表层沉积过程和保障海底工程施工的重要手段。     

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。     

20kg级便携式自主水下机器人(AUV)设计与实现

便携式AUV具有结构紧凑、机动性好、制造和使用成本低等优点,本文设计AUV的底层控制系统和自主导航系统,并进行仿真验证和人工湖试验,结果证明底层控制系统具有很好的鲁棒性,基于AHRS、数字罗盘和GPS的惯性导航算法能够通过浅水节点潜航方式实现AUV自主导航。     

20kg级便携式自主水下机器人(AUV)设计与实现

便携式AUV具有结构紧凑、机动性好、制造和使用成本低等优点,本文设计AUV的底层控制系统和自主导航系统,并进行仿真验证和人工湖试验,结果证明底层控制系统具有很好的鲁棒性,基于AHRS、数字罗盘和GPS的惯性导航算法能够通过浅水节点潜航方式实现AUV自主导航.     

一种小型水下自航行器推进系统设计与分析

从系统角度考虑,整体优化,设计了水下自航行器推进系统.通过外形优化减小轴向阻力,根据阻力和综合分析设计螺旋桨,并由敞水池试验验证螺旋桨的性能,在此基础上完成了推进控制系统的分析与优化设计.试验结果证明系统设计方法正确,推进系统性能良好.     

Acoustics-Based Autonomous Docking for A Deep-Sea Resident ROV

This paper presents autonomous docking of an inhouse built resident Remotely Operated Vehicle(ROV), called Rover ROV, through acoustic guided techniques. A novel cage-type docking station has been developed. The docking station can be placed on a deep-sea lander, taking the Rover ROV to the seafloor. Instead of using visionbased pose estimation techniques and expensive navigation sensors, the Rover ROV docking adopts an ultra-short baseline(USBL) and low-cost inertial sensors to build an adaptiv...     

Underwater Terrain Positioning Method Based on Least Squares Estimation for AUV

To achieve accurate positioning of autonomous underwater vehicles, an appropriate underwater terrain database storage format for underwater terrain-matching positioning is established using multi-beam data as underwater terrainmatching data. An underwater terrain interpolation error compensation method based on fractional Brownian motion is proposed for defects of normal terrain interpolation, and an underwater terrain-matching positioning method based on least squares estimation(LSE) is proposed for correlation analysis of topographic features. The Fisher method is introduced as a secondary criterion for pseudo localization appearing in a topographic features flat area, effectively reducing the impact of pseudo positioning points on matching accuracy and improving the positioning accuracy of terrain flat areas. Simulation experiments based on electronic chart and multi-beam sea trial data show that drift errors of an inertial navigation system can be corrected effectively using the proposed method. The positioning accuracy and practicality are high, satisfying the requirement of underwater accurate positioning.     

Visually Augmented Navigation for Autonomous Underwater Vehicles

As autonomous underwater vehicles (AUVs) are becoming routinely used in an exploratory context for ocean science, the goal of visually augmented navigation (VAN) is to improve the near-seafloor navigation precision of such vehicles without imposing the burden of having to deploy additional infrastructure. This is in contrast to traditional acoustic long baseline navigation techniques, which require the deployment, calibration, and eventual recovery of a transponder network. To achieve this goal, VAN is formulated within a vision-based simultaneous localization and mapping (SLAM) framework that exploits the systems-level complementary aspects of a camera and strap-down sensor suite. The result is an environmentally based navigation technique robust to the peculiarities of low-overlap underwater imagery. The method employs a view-based representation where camera-derived relative-pose measurements provide spatial constraints, which enforce trajectory consistency and also serve as a mechanism for loop closure, allowing for error growth to be independent of time for revisited imagery. This article outlines the multisensor VAN framework and demonstrates it to have compelling advantages over a purely vision-only approach by: 1) improving the robustness of low-overlap underwater image registration; 2) setting the free gauge scale; and 3) allowing for a disconnected camera-constraint topology.      

Underwater Terrain Positioning Method Based on Least Squares Estimation for AUV

To achieve accurate positioning of autonomous underwater vehicles, an appropriate underwater terrain database storage format for underwater terrain-matching positioning is established using multi-beam data as underwater terrain-matching data. An underwater terrain interpolation error compensation method based on fractional Brownian motion is proposed for defects of normal terrain interpolation, and an underwater terrain-matching positioning method based on least squares estimation (LSE) is proposed for correlation analysis of topographic features. The Fisher method is introduced as a secondary criterion for pseudo localization appearing in a topographic features flat area, effectively reducing the impact of pseudo positioning points on matching accuracy and improving the positioning accuracy of terrain flat areas. Simulation experiments based on electronic chart and multi-beam sea trial data show that drift errors of an inertial navigation system can be corrected effectively using the proposed method. The positioning accuracy and practicality are high, satisfying the requirement of underwater accurate positioning.     

AUV水下移动重力测量建模及误差分析

水下移动重力测量能够连续实施近水底的重力勘测,如使用自主水下无人航行器(AUV)还能允许水面母船同时执行多个任务,进而降低水下重力测量相关的高昂成本和准入门槛.研究了水下移动重力测量的基本原理和方法,建立了水下移动重力测量模型和相应的误差模型,重点分析了捷联式重力仪的传感器、姿态、位置、速度等误差源.讨论了达到1 mg...     

应用于水下自主观测平台的高可靠性CAN总线技术研究

研究并开发应用于水下自主航行观测平台的高可靠CAN总线技术,实现高可靠性、实时、单多帧、大数据量数据传输。具有很好的系统兼容性,能够同基于8051、PC104、ARM等不同硬件系统的CAN节点进行高速数据通讯,为复杂分布式系统集成提供极具应用价值的通讯网络。