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。     

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。     

自主水下航行器的软变结构控制

研究自主水下航行器系统的软变结构控制策略问题。首先分析软变结构控制系统的结构特征,利用双曲正切函数,给出控制受限情形的软变结构控制策略。其次利用Lyapunov稳定性理论,讨论自主水下航行器软变结构控制系统的稳定性,然后构造了基于双曲正切函数的软变结构控制器,给出自主水下航行器软变结构控制的具体算法。基于双曲正切函数的自主水下航行器软变结构控制系统调节精度高,响应速度快,有效地削弱了系统抖振。最后通过一个仿真实验,比较了自主水下航行器垂直深度通道的4种控制策略对系统性能的影响,从而验证了研究方法的有效性。     

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。     

应用于自主水下航行器的高可靠性CAN总线协议研究

在研究适用于自主水下航行器的CAN总线协议中,提出一种合理可行的CAN总线协议和CAN应用层接口协议,能有效地提高自主水下航行器的数据通讯效率和长短帧数据收发的可靠性.     

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.     

Underwater Vehicle Navigation Using Diffusion-Based Trajectory Observers

This paper addresses the issue of estimating underwater vehicle trajectories using gyro-Doppler (body-fixed velocities) and acoustic positioning signals (earth-fixed positions). The approach consists of diffusion-based observers processing a whole trajectory segment at a time, allowing the consideration of important practical problems such as different information update rates, outages, and outliers in a very simple framework. Results of contraction theory are used to prove that the observers are convergent, i.e., stable in the incremental sense. Simulation and experimental results are presented to illustrate the potential of application of the method.     

混合驱动自主潜航器续航能力分析

混合驱动自主潜航器融合了自主潜航器机动灵活和水下滑翔机续航能力强的优点,针对自身携带能源有限的问题,对在两种工作模式下如何实现最大航行距离进行了研究.从航行过程中的能源消耗入手,得出航行距离与速度、电子设备功率等的关系,通过理论分析和仿真手段得出最大续航能力的实现方法.在螺旋桨驱动模式下,当以经济航速航行时,可以达到最大航行距离;在浮力驱动模式下,当以最大滑翔效率航行时,水平方向上的滑翔距离最大,并且水平方向上的滑翔距离随着剖面深度的增大而增大,当剖面深度大到一定程度之后,最大滑翔距离趋于恒定.该研究方法可为类似水下航行器电源管理系统的能源分配提供参考,也可为航行器外形的设计和传感器的选型提供理论指导.     

数据驱动的水下潜航器在线建模及运动控制技术

面向未来高机动水下潜航器对精确运动控制的需求,考虑到现有控制方法所面临的动态跟踪能力差、耦合系统控制精度低等不足,研究基于模型的控制方法。水下潜航器水动力非线性强、建模困难,研究了数据驱动的水下潜航器运动建模方法,可实现对潜航器未来运动的长时精确预报。面向微小型水下潜航器难以安装声学测速及推进器转速测量装置,研究了无声学传感信息下线速度多步预报技术,仅需惯导数据及推进器、舵角控制信号,实现对不同航次线速度长时精确预报。基于该建模方法,研究了水下潜航器 MPC 及基于模型的强化学习运动控制技术,基于仿真平台及无人机实物平台验证了控制方法的有效性。     

自动水下航行器测量子系统实时多任务软件设计

针对多传感器测量系统中存在的单任务软件系统很难实现同步、实时测量的问题,引入了实时多任务操作系统。基于开放式、面向任务、模块化设计思想,研究了自动水下航行观测平台测量子系统的多任务软件系统。描述了多任务软件的静态结构和动态模型,实现了多传感器测量任务并发执行,保证了各个传感器测量数据的实时性和有效性。     

基于以太网的水下自主航行器分布式控制系统研究

针对模块化小型 AUV 平台高速、宽带的数据通信需求和设备分散的特点,设计了一种分布式控制系统。 控制系统硬件采用基于网络的分布式架构,在较好地减少传输信号线,提高抗干扰能力的同时提高 AUV 平台的设备间兼容性和通信速率。 控制系统软件采用分层控制体系,由显控设备控制的任务层,控制计算机控制的自主层以及由微控制器节点控制的执行层,实现实时任务和控制命令的分离,减小任务层的运算量,方便软件的维护升级。 实航试验中 AUV 准确地完成了复杂的路径规划和地形测量任务,表明控制系统运行稳定可靠,为 AUV 平台的通用化、小型化设计提供参考。     

基于多源信息融合的水下航行器航迹测量方法

针对水下航行器航迹实时分析的需求,提出了一种基于多源信息融合的测量方法。通过传感器获得水下航行器状态信息,利用主成分分析方法将试验数据作为一变量,定义总体的各主成分,利用测量值与主成分的复相关关系,给出了各传感器的综合支持程度和数据融合公式,完成多源数据的融合。应用实例验证了该方法的有效性和精确性,能够提高试验数据的可信度。     

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.     

自动表面船用于岛礁水深测绘

岛礁具有重要的地位,然而对其附近水深的调查手段却不充分。比较了几种水深测绘手段的优缺点,设计了一种小型自动表面船用于岛礁水深测绘。该表面船底部安装声学测深仪,具备自动定位、导航与运动功能;其尾部安装两个电动推进器提供动力,通过独立控制两个推进器的转速,可实现船体的前进、后退和转向;利用无线电与岸基单元进行数据通讯。根据不同水深测绘条件,该船可以用三种控制方式进行水深测量:直接控制、间接控制和自主控制。测量数据实时传输到岸基单元,并自动存储于船载存储单元。初步试验结果表明,设计的自动表面船测量系统具有可行性。     

Development of A Three-Dimensional Guidance System for Long-Range Maneuvering of A Miniature Autonomous Underwater Vehicle

The present paper introduces a three-dimensional guidance system developed for a miniature Autonomous Underwater Vehicle（AUV）. The guidance system determines the best trajectory for the vehicle based on target behavior and vehicle capabilities. The dynamic model of this novel AUV is derived based on its special characteristics such as the horizontal posture and the independent diving mechanism. To design the guidance strategy, the main idea is to select the desired depth, presumed proportional to the horizontal distance of the AUV and the target. By connecting the two with a straight line, this strategy helps the AUV move in a trajectory sufficiently close to this line. The adjacency of the trajectory to the line leads to reasonably short travelling distances and avoids unsafe areas. Autopilots are designed using sliding mode controller. Two different engagement geometries are considered to evaluate the strategy＇s performance： stationary target and moving target. The simulation results show that the strategy can provide sufficiently fast and smooth trajectories in both target situations.     

3D Focused Inversion of Near-bottom Magnetic Data from Autonomous Underwater Vehicle in Rough Seas

Ocean Science Journal - The observation area of an autonomous underwater vehicle (AUV) often contains undulating terrain in which the shallow portions make a great contribution to near-bottom...     

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.     

Simulation of an Inertial Acoustic Navigation System With Range Aiding for an Autonomous Underwater Vehicle

This paper presents an integrated navigation system for underwater vehicles to improve the performance of a conventional inertial acoustic navigation system by introducing range measurement. The integrated navigation system is based on a strapdown inertial navigation system (SDINS) accompanying range sensor, Doppler velocity log (DVL), magnetic compass, and depth sensor. Two measurement models of the range sensor are derived and augmented to the inertial acoustic navigation system, respectively. A multirate extended Kalman filter (EKF) is adopted to propagate the error covariance with the inertial sensors, where the filter updates the measurement errors and the error covariance and corrects the system states when the external measurements are available. This paper demonstrates the improvement on the robustness and convergence of the integrated navigation system with range aiding (RA). This paper used experimental data obtained from a rotating arm test with a fish model to simulate the navigational performance. Strong points of the navigation system are the elimination of initial position errors and the robustness on the dropout of acoustic signals. The convergence speed and conditions of the initial error removal are examined with Monte Carlo simulation. In addition, numerical simulations are conducted with the six-degrees-of-freedom (6-DOF) equations of motion of an autonomous underwater vehicle (AUV) in a boustrophedon survey mode to illustrate the effectiveness of the integrated navigation system.     

基于电子海图的智能潜水器路径规划研究

随着地理信息系统技术的发展,电子海图作为一种专门的电子地图也越来越成熟。电子海图中提供了详细而准确的海洋环境信息。利用电子海图的环境建模和考虑海流因素的遗传搜索策略为解决大范围海洋环境下智能潜水器全局路径规划提供了一个新的方法。利用电子海图中的信息对智能潜水器的工作环境进行环境建模,以遗传多目标优化算法为搜索策略进行全局路径规划,并考虑海流因素对潜水器的影响,使潜水器在航行时可充分利用海流的能量。通过仿真试验对环境建模和路径规划进行了验证。该方法具有很好的实用性。