蛇形机器人水下3D运动建模与仿真

由于蛇形机器人具有多关节、超冗余自由度的特点,以及水环境高度复杂非线性化,使得蛇形机器人的水下3维步态难以通过实验进行验证、分析及优化针对这些问题,根据蛇形机器人样机"探查者Ⅲ",搭建了水下运动的仿真分析系统.首先,分析了蛇形机器人水下运动时不同姿态下的水静力,计算了机器人受到的附加质量力和黏滞阻力的线性项和非线性项,并研究了流体力矩对水下运动的影响.然后,基于Morison方程建立了机器人与水交互的力学模型.最后,在仿真分析系统中对逐节下潜步态进行仿真,分析机器人的运动性能,并进行相应的实验.通过前进速度、下潜速度、运动趋势的对比表明:该力学模型能比较准确地模拟机器人与水环境的交互作用,仿真分析系统能用来验证和分析蛇形机器人的水下3维运动步态.     

基于能源消耗最小的自治水下机器人机械手系统协调运动研究

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—机械手系统是运动学冗余的且自带能源，因此将系统阻力优化函数引入逆运动学求解，设计了基于系统能源消耗最小的系统协调运动规划算法．仿真表明，该算法在解决系统冗余度的同时，有效地减小了系统能源消耗．     

基于能源消耗最小的自治水下机器人一机械手系统协调运动研究

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一机械手系统是运动学冗余的且自带能源，因此将系统阻力优化函数引入逆运动学求解，设计了基于系统能源消耗最小的系统协调运动规划算法．仿真表明，该算法在解决系统冗余度的同时，有效地减小了系统能源消耗．     

自治水下机器人深度的鲁棒H∞控制仿真

研究了鲁棒H∞控制在自治水下机器人(AUV)深度控制中的应用.根据刚体空间运动和流体力学理论建立了AUV垂直面运动的数学模型,并在特定的工作点对模型进行了线性化处理得到了AUV垂直面运动的控制设计模型.根据鲁棒H∞控制理论设计了自治水下机器人垂直面运动的深度控制器.仿真结果表明,该控制器在减轻/克服AUV运动模型的不确定性,严重的非线性和外界干扰等方面有明显的效果,具有很好的动态性能,系统的鲁棒性强.     

基于局域网的多水下机器人仿真系统设计与实现

多水下机器人仿真系统是一个能够对多水下机器人系统的体系结构、协调控制、路径规划、学习算法等进行演示验证的分布式实时数字仿真系统，是开展多水下机器人技术研究的基础和有效手段．讨论了应用基于局域网的分布式仿真技术来解决多水下机器人系统仿真的问题，并详细说明了仿真系统的硬件组成和软件总体设计．     

水下滑翔机的运动模型建立及仿真

水下滑翔机的水下运动是六自由度多姿态运动,建立空问动力学数学模型是为计算机仿真时对系统进行比较准确的描述和运动状态进行研究.另外在详细分析水下滑翔机姿态调节系统中的滑动质量块移动及重浮力调节系统中压舱载荷变化并在滑翔机本身运动耦合的基础上,经过合理的简化建立了六自由度的空问运动数学模型.最后对水下滑翔机的垂直面运动进行了仿真分析,仿真结果准确地反映了水下滑翔机的运动规律和操纵特点.     

基于大地形管理的水下机器人视景仿真系统

研究水下机器人视景系统优化设计,针对水下机器人的航行环境具有不可接近性和未知性的特点,为创建水下海洋生物和可观世界环境,利用虚拟的计算机仿真环境作为水下机器人初期调试的“平台”具有十分重要的意义.建立了基于大地形管理的水下机器人视景仿真系统.有关大地模型建立、场景效果等,利用函数变量方法自定义机器人运动引擎,采用粒子系统仿真了机器人尾流流场和低噪音的实现.依托软件平台MultiGen Creator和Vega,利用Vega与Visual C++混合编程实现LADBM模块的大地形管理,进行仿真验证.仿真结果表明,视景仿真系统逼真地再现了水下机器人在大范围区域探测目标及自主航行的过程,有效地解决了水下机器人长距离自主航行视景仿真中的大地形管理问题.     

水下船体清刷机器人运动分析及仿真

本文分析了水下船体清刷机器人的运动,建立了机器人运动学方程,根据所设计的伺服控制系统对机器人系统进行了运动仿真.结果表明,所设计的机器人系统鲁棒性好,满足设计要求.     

鲁棒H∞滤波器在AUV航向控制中的应用仿真

研究设计了一个鲁棒H∞滤波器来解决自治水下机器人（AUV）航向控制系统中部分难以测量状态变量的估计问题，并将其应用在AUV的航向控制系统中．建立了自治水下机器人在体坐标系下水平面运动的运动方程，并在特定的工作点对方程进行了线性化处理，得到了自治水下机器人的控制设计模型．基于线性矩阵不等式（LMI）方法对AUV航向控制系统设计了一个鲁棒H∞滤波器,并对该滤波器应用于AUV航向控制系统进行了仿真试验．仿真结果表明，该鲁棒H∞滤波器能够较好地抑制测量噪声的影响，较准确地估计出系统的状态变量，能够提高AUV航向控制系统的控制品质．     

基于DWK的AUV分布交互视景仿真

在建立远程低速回转体AUV的六自由度运动模型的基础上,设计了AUV六自由度视景仿真系统的总体结构,并基于国产分布式交互仿真软件平台DWK对远程低速回转体AUV的六自由度运动进行了视景仿真。结果表明本仿真系统很好地模拟了AUV的六自由度水下运动情况,可以在短时间内使设计人员对AUV的六自由度运动有系统直观的认识,对研究AUV的操纵性具有重要的意义。     

Communication-Aware Formation Control of AUVs With Model Uncertainty and Fading Channel via Integral Reinforcement Learning

Most formation approaches of autonomous underwater vehicles (AUVs) focus on the control techniques, ignoring the influence of underwater channel. This paper is concerned with a communication-aware formation issue for AUVs, subject to model uncertainty and fading channel. An integral reinforcement learning (IRL) based estimator is designed to calculate the probabilistic channel parameters, wherein the multivariate probabilistic collocation method with orthogonal fractional factorial design (M-PCM-OFFD) is employed to evaluate the uncertain channel measurements. With the estimated signal-to-noise ratio (SNR), we employ the IRL and M-PCM-OFFD to develop a saturated formation controller for AUVs, dealing with uncertain dynamics and current parameters. For the proposed formation approach, an integrated optimization solution is presented to make a balance between formation stability and communication efficiency. Main innovations lie in three aspects: 1) Construct an integrated communication and control optimization framework; 2) Design an IRL-based channel prediction estimator; 3) Develop an IRL-based formation controller with M-PCM-OFFD. Finally, simulation results show that the formation approach can avoid local optimum estimation, improve the channel efficiency, and relax the dependence of AUV model parameters.      

不同时变延迟下的多AUV编队协调控制

针对无领航者AUV编队协调控制问题,提出了一种不同时变通信延迟下的一致性协调控制方法;首先考虑到AUV之间水下通信存在时间延迟和数据丢失的问题,利用状态反馈线性化理论处理AUV数学模型中的非线性耦合项,从而将复杂的AUV模型转换为双积分器动态模型;其次,针对不同延迟通信情况,设计了位置和速度双独立的拓扑结构以减少编队成员之间发送每个数据包中的数据量;最后,提出了无领航者的多AUV稳定条件,进而将多AUV编队控制问题看作是一致性问题,基于Laypunov-Razumikhin定理证明时延多AUV编队系统的稳定性;该控制方法不仅能够克服不同时变延迟和数据丢失对编队的影响,使所有以随机位置和速度出发的AUV的三维轨迹均能达到一致状态,同时能抑制外界干扰;仿真结果与所提控制方法理论结果一致。     

基于多AUV间任务协作的水下多目标探测机制

利用自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）对水下多目标进行协同探测是目前海洋技术领域的研究热点。本文主要研究在水下三维区间内的多AUV任务分配与协作探测机制,建立了以每个AUV能量耗费与能耗均衡为约束条件的水下三维空间中的多旅行商（Multiple Traveling Salesman Problem, MTSP）问题模型,利用遗传算法（Genetic Algorithm, GA）对该NP-Complete问题进行启发式求解,同时设计了考虑巡航总路径及访问目标数的适应度函数以提高多AUV间的能耗均衡性,实现多个AUV对多个水下目标的优化协同探测。最后本文利用Matlab R2014a软件对多AUV任务协作与多目标探测机制进行了仿真,仿真结果验证了该方法能够均衡多AUV多目标探测问题的能量消耗,进而提高巡航速度和生命周期。     

欠驱动水下机器人三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制

本文研究了具有不确定动态和未知时变海洋环境扰动的欠驱动水下机器人(AUVs)三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制问题,提出新型预设性能函数和误差映射函数,将受预设性能限制的轨迹跟踪误差转变为非受限的变换后误差;构造新的超螺旋(ST)扩张状态观测器,在有限时间内实时估计AUV不确定动态和未知时变海洋环境扰动引起的总扰动;基于上述,设计新的ST控制律,实现了欠驱动AUV三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制.理论分析证明了最终的AUV三维轨迹跟踪闭环控制系统的稳定性,仿真及仿真比较结果验证了所设计控制律的有效性和优越性.     

Cooperative Localization of AUVs Using Moving Horizon Estimation

This paper studies the localization problem of autonomous underwater vehicles (AUVs) constrained by limited size, power and payload. Such AUVs cannot be equipped with heavy sensors which makes their underwater localization problem difficult. The proposed cooperative localization algorithm is performed by using a single surface mobile beacon which provides range measurement to bound the localization error. The main contribution of this paper is twofold: 1) The observability of single beacon based localization is first analyzed in the context of nonlinear discrete time system, deriving a sufficient condition on observability. It is further compared with observability of linearized system to verify that a nonlinear state estimation is necessary. 2) Moving horizon estimation is integrated with extended Kalman filter (EKF) for three dimensional localization using single beacon, which can alleviate the computational complexity, impose various constraints and make use of several previous range measurements for each estimation. The observability and improved localization accuracy of the localization algorithm are verified by extensive numerical simulation compared with EKF.      

Nonlinear model predictive control for hydrobatics: Experiments with an underactuated AUV

Hydrobatic autonomous underwater vehicles (AUVs) can be efficient in range and speed, as well as agile in maneuvering. They can be beneficial in scenarios such as obstacle avoidance, inspections, docking, and under-ice operations. However, such AUVs are underactuated systems—this means exploiting the system dynamics is key to achieving elegant hydrobatic maneuvers with minimum controls. This paper explores the use of model predictive control (MPC) techniques to control underactuated AUVs in hydrobatic maneuvers and presents new simulation and experimental results with the small and hydrobatic SAM AUV. Simulations are performed using nonlinear model predictive control (NMPC) on the full AUV system to provide optimal control policies for several hydrobatic maneuvers in Matlab/Simulink. For implementation on AUV hardware in robot operating system, a linear time varying MPC (LTV-MPC) is derived from the nonlinear model to enable real-time control. In simulations, NMPC and LTV-MPC shows promising results to offer much more efficient control strategies than what can be obtained with PID and linear quadratic regulator based controllers in terms of rise-time, overshoot, steady-state error, and robustness. The LTV-MPC shows satisfactory real-time performance in experimental validation. The paper further also demonstrates experimentally that LTV-MPC can be run real-time on the AUV in performing hydrobatic maneouvers.     

多水下机器人视景仿真系统技术研究

该文介绍了多水下机器人群体分佰式智能控制软件的视景仿真系统。以MultiGen Creator建模,利用实时视景开发软件包OpenGL Performer,采用POSIX Thread多线程技术,在Linux环境下开发了分布式多水下机器人三维视景仿真平台。实现了多水下机器人分布式智能控制软件系统的实时视景仿真,保证了整个系统的信息共享与时间同步。同时该文讨论了该视景仿真软件的开发过程以及整个系统的体系结构和信息流程。试验结果表明,该视景系统可逼真演示多水下机器人编队水下航行、作业等过程,并满足系统仿真的实时性要求。     

基于移动长基线的多AUV 协同导航

基于扩展卡尔曼滤波（EKF）理论研究了多AUV 协同导航定位的移动长基线算法．移动长基线多AUV 协同导航结构中,主AUV 内部装备高精度导航设备,从AUV 内部装备低精度导航设备,外部均装备水声装置测量 相对位置关系,利用移动长基线算法融合内部和外部传感器信息,实时获取从AUV 的位置信息．建立了协同导航 系统数学模型,设计了EKF 协同导航算法,在各种测试情况下通过仿真验证了所推导的分析结果,对EKF 和几何 解方程算法的导航效果进行了比较．研究结果表明,以主AUV 作为移动的长基线节点时,通过EKF 算法可以显著 提高群体的导航定位精度．     

机器鱼在线功率检测系统设计与实现

水下仿生机器鱼由于其高效而灵活的水下运动而受到广泛关注.至今,人们对于水下机器人的研究主要集中在运动仿生以及动力学机理解释等方面,对于机器鱼的运动中的实时功率消耗研究还几乎空白.其中一个主要原因是水下机器人的功率消耗不能直接实时获得,因而提出了一个实时在线高速功率测量系统,通过该系统能够实现5000S/s的采样速率,获得精确的机器鱼在水中运动下的实时功率,从而为后期提高机器鱼游动效率的研究做基础铺垫.一系列实验证明了其对水下机器人的实时效率检测的有效性.此外,实现对机器鱼的功耗评估能够更好地为设计节能型水下航行器提供有力的指南.     

基于内螺旋覆盖算法的多AUV协作反水雷路径规划研究

研究了多自主水下航行器AUVs(Autonomous Underwater Vehicles)协作扫雷的路径规划问题;在环境栅格表达的基础上,采用一种优化的内螺旋覆盖算法,通过航行器对工作海域扫描情况的在线判断来确定扫描路径,以及扫描结束后对地图"盲区"进行再搜索等关键技术,保证了对工作区域的完全覆盖搜索和达到以较小的重复覆盖率搜索海域的目的;仿真实验结果表明,只要灭雷航行器数量大于水雷数量并且至少有一台灭雷AUV可以正常工作就可以实现完全覆盖。