基于GWO-WOA的执行器严重故障多移动机器人编队重构控制

针对执行器严重故障下多移动机器人的编队重构控制问题，提出一种基于灰狼优化-鲸鱼优化算法(Grey WolfOptimizer-Whale Optimization Algorithm, GWO-WOA)的协同编队重构控制策略。设计一种故障观测器以检测多机器人系统中出现的执行器严重故障，并使执行器严重故障的机器人离开编队。利用匈牙利算法分配剩余机器人在期望重构编队中的位置，并用GWO-WOA规划出机器人的运动路径。提出编队重构综合控制策略，包括三部分，分别为基于一致性的编队保持控制、基于势能函数的避碰控制和基于比例积分的跟踪控制器，使多机器人在无碰撞的情形下实现了重构编队。仿真实验结果表明，所提出的编队重构控制策略能够实时监测出故障机器人，并且在形成期望重构编队的同时防止相互碰撞。     

水下编队航行机器人的前馈加反馈控制器设计

介绍了一种能够实现水下机器人编队的分布式控制方法。在基于跟随机和领航机间的相对运动模型上,首先设计了前馈控制器及其内部模型以补偿视为外部信号的领航机信息,然后利用反推法设计了反馈镇定控制器,同时还设计了能够观测所有误差信号的状态观测器以实现反馈控制。算例仿真表明了应用设计的编队控制律,各个水下机器人能够较快地形成希望的编队,并按希望编队队形稳定航行,仿真结果验证了此种控制方法的有效性。     

水下双目立体视觉技术

为了提高双目立体视觉系统在水下探测中对外形规则且静止物体识别的实时性准确率,通过采用一种具有全局理念的立体匹配算法,在不影响识别准确率的同时,最大限度地减少计算机对双目立体视觉系统捕获信息的计算量,提高实时处理速度。通过加以辅助声呐系统改善采用全局算法后的双目立体视觉系统,在水下目标识别中所产生的拖影噪声。实验表明,通过改进算法并加以辅助声呐系统后的双目立体视觉系统,在水下目标识别中对规则物体的识别率及准确率得到明显提升。     

基于水下管道巡检机器人的优化设计方案

针对传统水下管道巡检机器人设计存在的弊端,设计一款水下巡检机器人。结合前沿技术及水下智能机 器人的发展趋势,通过加载双目摄像头,实现对水下管道小范围的目标精准定位,并配合机械手远程遥控完成管道 表面异物清除及回收。结果表明：该机器人结构合理,功能完善,稳定性与操控性能良好。     

基于双目视觉的UUV避障半实物仿真系统

由于无人水下航行器（UUV）避障研究的实物海洋试验成本高且风险较大,故针对在试验室进行UUV自主避障规划的需求,利用双目视觉展开了UUV避障半实物仿真试验系统的设计研究,包括多自由度运动台架模拟UUV的运动,双目摄像机代替前视声纳作为避障传感器。阐述了实物双目视觉子系统的关键技术和UUV模型子系统的软件实现方法,以及系统的体系结构、数据交换方法,并进行了基于规则的避障仿真联调试验,结果表明,该系统结构简单,试验实施便利,可作为演示、验证和评估避障路径规划正确性和有效性的实用手段。     

人工势场和虚拟结构相结合的多水下机器人编队控制

传统的多水下机器人（AUV）编队算法,例如领航跟随法、虚拟结构法,对编队形成过程中AUV间的避碰问题和编队行进过程中的避障问题,没有进行有效解决。人工势场法可利用势函数进行避碰、避障,但队形组织能力略显不足。针对上述问题,提出了一种人工势场和虚拟结构相结合的多AUV编队控制算法。将系统分为3个部分：编队参考点、虚拟结构质点和AUV. 以编队参考点为中心形成期望的虚拟结构以组织队形;虚拟结构质点以期望的虚拟结构为运动目标,并在运动的过程中,通过人工势场斥函数,实现避碰和避障;AUV对虚拟结构质点进行目标跟踪,从而渐进形成AUV的队形。通过编队路径跟踪、编队队形变换和编队避障等一系列仿真实验,对算法的可靠性和灵活性进行充分验证。实验结果表明：在随机的初始位置条件下,多AUV系统可以快速无碰撞地形成队形;在编队行进过程中进行灵活的队形变换,并对障碍物有效避碰。     

一种微纳航天器编队的故障构型重构方法

针对微纳航天器编队可能发生故障的问题,研究了编队的故障重构方法。当编队中某颗航天器出现故障时,在保证燃料最省和碰撞规避的原则下,通过线性规划方法完成故障航天器飞离系统,以及在有、无备份航天器两种情况下的编队构型重构,提出故障后的构型重构措施,实现编队的故障重构。仿真结果表明,该故障重构方法实现了微纳航天器编队在故障情况下的构型重构,保证了飞行任务的可靠性和稳定性。     

基于Jacobi几何向量的多AUV编队控制方法

研究了多自主水下航行器（MAUV）系统的水平面动力学建模和系统编队控制问题。从单个自主水下航行器的动力学和运动学模型出发,通过引入Jacobi几何向量建立了MAUV系统的水平面动力学模型;结合典型水下航行器全方位智能导器（ODIN）的流体动力参数,将系统模型解耦为3个线性子系统——编队队形、编队运动（即编队中心点的运动）及航行器转向子系统,并采用线性状态反馈法设计了运动控制器和转向控制器。仿真结果表明,该算法可以控制MAUV系统在保持编队队形的基础上跟踪已知路径。     

水下自主导航机器人系统

在水下机器人被广泛应用的背景下,能够实现水下自主导航的机器人具有极高的应用价值。为了打破水下机器人运行需要人为干预的瓶颈,更好地发挥小型机器人水下的灵活性,设计并制作了一种可自主导航的水下机器人系统。该系统机械上采用Pro/E作为三维造型软件,用快速成型设计并制造了水下机器人的主体;硬件上使用摄像头采集数据,并使用红外测距模块及电子罗盘模块实现定位功能;嵌入式软件层将传感器数据进行采集后,对数据进行相应的图像识别和处理,最终识别障碍物并做出相应动作;同时,数据和视频流可通过无线模块传送到上位机,上位机将数据接收后进行相应显示,并可直接显示视频流,方便调试的同时也可对水下环境进行实时监控。该系统实现了自主的水底避障、探测,以及自行返回出发点的完整功能,对于水下探测活动具有一定的实用价值。     

事件触发的多AUV编队模型预测控制算法

针对复杂环境中自治水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)编队的避障控制问题,提出一种基于事件触发的模型预测控制(model predictive control,MPC)算法。建立水下机器人运动模型,结合领航-跟随式队形控制方法,利用领航AUV的位置信息和编队期望队形得到虚拟AUV的航行轨迹及速度信息,将其作为跟随AUV的航行参考轨迹;对传统人工势场法(artificial potential field,APF)进行适应性改进,以满足AUV编队在障碍物环境中避障规划的需求;设计一种基于跟随AUV轨迹预测值与实际值误差的事件触发机制来减少求解优化问题的计算量,降低计算负担。结果表明：与其他算法相比,该算法仿真结果具有可行性和有效性。     

基于一致性理论的多机器鱼编队控制

针对多机器鱼系统的一致性问题,设计一种基于一致性理论的多机器鱼编队控制模型。采用一个基于拓扑结构的多机器鱼编队控制模型描述机器鱼之间的信息交换方式,分析该模型下的有向网络取得渐近一致性的条件,并应用到领航者一跟随者模式下的编队控制中,将任意的队形转化为“一跟一”的局部“领导-跟随”关系并奔向目标区域,并在水中机器鱼2D仿真平台上进行仿真分析。仿真结果表明：该编队理论在多机器鱼控制系统中是有效的。     

一种机器鱼水球仿真比赛裁判自动控制系统

针对水下环境的不确定性以及策略算法调试困难等问题,设计一种机器鱼水球仿真比赛裁判自动控制系统。介绍其系统框架,通过机器鱼运动学建模得到机器鱼位姿,对机器鱼进行运动控制仿真、扰动控制仿真、碰撞处理仿真、对比赛进程进行自动控制仿真等。系统并提供了实体机器鱼水球比赛相关控制接口及接口扩展功能等。结果表明,该系统能为水球仿真比赛过程中出现的犯规情况、比赛进程控制、进球判断、比赛特有规则等提供了有效的控制处理方法,还可扩展到水球仿真比赛的其他项目,或3D仿真和实体仿生机器鱼水球比赛控制系统中。     

水中机器人带球接力策略

为提高水中机器人带球接力效率,提出一种水中机器人协作策略。分析水中机器人的运动特性,通过采集场地环境信息,对信息进行判断,综合考虑机器人与球所处的位置来选择下一步动作。在确定机器人协作方案的基础上,实现具体的机器人带球接力方法。仿真结果表明：该策略是有效的,能提高水中机器人的运动速率及完成效率,在运动控制上更加灵活。     

开架式水下机器人水动力系数计算与动力学建模

为实现开架式水下机器人的操纵性预报和开展控制算法的研究,提出一种基于格子波尔兹曼方法（LBM）的水动力系数数值计算方法。对比LBM和传统雷诺平均Navier-Stokes方程方法在稳态纵荡运动和斜航运动中的模拟结果,验证LBM的可行性。建立大振幅非稳态平面运动机构试验的严格运动函数,根据水下机器人结构特点构建包含惯性水动力系数、线性与非线性黏性水动力系数的水动力模型,并采用最小二乘法辨识水动力模型参数。对标准操纵性试验进行数值仿真,验证所建立的6自由度运动方程的有效性。结果表明：与基于传统计算流体力学技术的水动力计算方法相比,LBM不会受水下机器人外形复杂程度的限制,避免了非稳态运动模拟中复杂动网格的更新难题;通过大振幅平面运动机构试验模拟缩短了水动力系数计算周期,该水动力学模型较完整,更适用于操纵性预报和控制算法的研究。     

基于位置反馈的多机器鱼编队控制

为实现多机器鱼的队形控制,在图论队形控制理论的基础上引入一种基于位置反馈的队形控制策略。介绍参考机器鱼的概念,在任一时刻都设定一个保持不动的参考机器鱼,其它机器鱼则根据当前参考机器鱼的位置及机器鱼之间的信息交互来调整其相对位置,使多机器鱼系统在有限时间内实现任意队形的形成。在水下机器人2D仿真平台上进行实验,并给出不同情况的实验结果。仿真结果表明：该方法整体性好,鲁棒性强,抗干扰性强,计算简单,可实现任意队形。     

基于双目视觉和投影圆的平面度非接触检测方法

针对传统平面度检测存在接触和测量位置固定等问题,探讨了1种基于双目视觉和投影圆的非接触式测量方法。该技术采用投影仪向被测量物体投射圆,然后由经标定的双目视觉传感器采集后,采用Zernike矩定位亚像素边缘,用透视投影变换形心移位偏差控制方法计算出形心坐标,最后采用对极几何匹配计算出圆心三维坐标,得到被测量物体的平面度误差。实验证明,该测量方法自由灵活,可以快速准确地得到平面度误差,系统测量平均误差小于0.06 mm。     

基于区域划分和边角处理的机器鱼协作策略

针对水中机器人全局视觉水球2VS2比赛中出现的水球位于边角的特殊情况,提出一种基于比赛场地的区域划分和边角处理的协作比赛策略。通过对比赛场地的划分,划定了2条机器鱼各自负责的区域,并利用机器鱼顶球方式建立机器鱼运动模型。基于水球位于4个边角的问题,讨论了3种协作方式的利弊,得出执行边角处理时采用1条机器鱼处理边角球,1条机器鱼游到合适的位置进行防守的协作策略为最优。在水中机器人平台上进行协作顶球实验验证,实验结果表明：该方法缩短了处理边角球、边界球的时间,提高了机器鱼的协作和进攻效率,使得水球总是朝着有利于己方的方向运动。     

基于PID 算法的水中机器鱼方向档位控制方法

为了找到机器鱼在游动过程中每一时刻适应当前速度的最佳方向档位,笔者基于PID算法,提出了一种水中机器鱼方向档位的控制方法。分析PID控制原理,将其用于水中机器鱼方向档位的控制,设计出了适合机器鱼顶水球模型的PD算法,并给出了具体的实现方法和调试思路。实验结果表明:该算法有效地弥补了以往参赛者使用的算法中的不足,可以使机器鱼快速稳定地调整方向位姿,在实际应用中表现出了良好的带球游动性能。