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《哈尔滨工程大学》 2007年
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水下机器人运动控制系统体系结构的研究

甘永  
【摘要】: 海洋是人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)中继陆地之后的第二大空间,是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地,是最现实、最有发展潜力的空间,对我国经济与社会发展产生着直接、巨大的支撑作用。作为人类探索和开发海洋的助手,水下机器人将在这一领域显示它们多方面的用途。水下机器人是一种具有人工智能的系统,具有很高的自主能力、记忆能力和学习能力,能自主适应外界环境的变化。操作人员只需下达使命给水下机器人,与战术甚至与战略有关的任务,都由水下机器人自主完成。水下机器人运动控制系统作为水下机器人中最为基础和关键的一环,研究其系统体系结构具有极其关键的意义。论文的目的是建立较为完善的水下机器人运动控制体系结构,该体系结构具有与上层智能规划系统的兼容性,同时还具有扩展性、普遍性,不仅适应于一些高智能的自主式水下机器人,也适用于需要完成某些特殊任务的特种水下机器人。 作者开展了以“水下机器人运动控制系统体系结构的研究”为题的博士论文研究工作,从水下机器人的总体体系结构出发,根据水下机器人运动控制的特点,将运动控制系统分为感知层、控制层以及执行层三层,提出了基于感知层、控制层、执行层的水下机器人PCE(Perception-Control-Executive)运动控制系统体系结构。其中感知层包括对水下机器人运动状态以及水下环境的理解、对于上层规划系统指令的分析、水下机器人的故障信息感知等。在控制层中,采用智能控制技术设计水下机器人的运动控制器,研究神经网络与其它控制算法相结合的控制器结构和学习算法,探讨适应于水下机器人的运动控制理论。在执行层中,针对各种复杂的执行器系统,通过分析各种执行器系统的水动力性能,设计了合适的推力分配策略。水下机器人PCE运动控制系统体系结构各层之间任务明确、要求具体、关系清楚,同时当感知层感知到某些紧急情况时,通过直接发送执行机构指令来控制执行层,解决了递阶体系结构响应缓慢的缺点。 遵循理论研究和工程应用相结合的研究思路,论文在基于完善性、通用性、扩展性的原则上提出了水下机器人PCE运动控制系统体系结构的框架,从子系统、系统资源、资源分配、安全和可靠性、具体应用等方面阐述了运动控制系统体系结构的框架,按照水下机器人PCE运动控制系统体系结构的框架层次结构依次对感知层、控制层、执行层技术进行了研究和探讨。论文的研究主要体现在理论方法、工程应用和实验三大部分。 理论方法部分: (1)根据水下机器人运动控制的特点,将运动控制系统分为感知层、控制层以及执行层三层,建立了基于感知层、控制层、执行层的水下机器人PCE运动控制体系结构,为水下机器人运动控制系统的设计提供了标准和参考。 (2)通过建立虚拟声呐模型,利用地形跟踪的方法讨论了水下机器人对目标指令的理解问题,解决了水下机器人运动控制与规划控制的协调合作问题,对于一般机器人的运动控制也有一定的指导意义。 (3)从理论上探讨了并行神经网络控制与基于神经网络的滑模控制方法。通过并行神经网络的研究解决了前向神经网络收敛慢的问题,而在滑模控制中引入神经网络,通过建立模型观测器和利用神经网络的自学习能力在线估计模型误差,解决了滑模控制中由于模型失配导致的控制受限问题。 (4)通过一系列的推进器试验、执行机构试验从原理上探讨了水下机器人常用的执行机构的水动力性能,对于水下机器人执行机构的设计与布置具有较大的指导意义。 工程应用部分: (1)建立了适用于水下机器人的半实物运动仿真系统,不仅能对水下机器人的应用软件,而且能对水下机器人运动控制系统中数据流、信息流、系统软件乃至于一部分硬件系统进行调试验证,这是水下机器人工程应用中必不可少的组成部分。 (2)从工程实际出发,提出了改进S面运动控制器。在保持S面控制算法结构简单、参数易于调整等优点的基础上解决了在高速运动情况下水下机器人难以保持艏向以及垂向响应缓慢等问题,在多次海上试验中得到了成功应用。 (3)针对一系列执行器系统,提出了相应的推力分配策略。根据具体工程应用任务的不同,采用具有最高执行效率的推力分配策略,为水下机器人的各种执行器系统提供了较为完善的解决方案。 (4)为了实际工程应用,设计了水下机器人控制软件平台以及用户接口软件。前者引入UML设计,根据具体水下机器人自主地配置传感器、控制算法等,后者采用面向对象设计的方法为用户提供直观的界面与输入接口。 实验部分: 将论文所提出的水下机器人PCE运动控制系统体系结构应用于不同任务需求的水下机器人,包括自主型水下机器人,遥控式水下机器人,基于翼控制的水下机器人,通过实际试验验证了所提出的水下机器人体系结构的可行性、可扩展性以及可靠性。针对于自主式智能水下机器人一某型智能水下机器,将感知层、控制层、执行层全部嵌入到水下机器人艇体内部,加强水下机器人感知能力、控制能力,使其可以满足在无人无缆条件的自主作业。针对遥控式水下机器人—“堤坝检测水下机器人”,由于有人为的操作和干预,其控制系统采用底层工控机与顶层PC机组合实现,为了满足实际的需要引入了自动扫坝控制、船位推算算法以及软件人机接口;针对基于翼控制的某微小型水下机器人,着重讨论了襟翼执行机构在基于翼控制的水下机器人上的应用。通过海上、湖上与水池试验验证了论文提出的水下机器人PCE运动控制系统体系结构的可行性与可靠性。 为了满足水下机器人运动控制系统的要求,本文提出了基于感知层、控制层、执行层的水下机器人PCE运动控制系统体系结构,并依次对感知层、控制层、执行层技术进行了研究和探讨。试验结果表明本文提出的水下机器人运动控制系统体系结构具有扩展性、普遍性,可以适应于多种不同任务需求的水下机器人。本文的研究成果对于水下机器人体系结构的建立具有一定的指导意义,在水下机器人技术中有着重要的现实意义和实际应用价值。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP242

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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9 李海岚;岳阳县农村公路发展研究[D];湖南农业大学;2013年
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【二级引证文献】
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2 吴家鸣;叶志坚;金晓东;张城玮;徐灜;;水下潜器导管螺旋桨在转艏摆动中的推力特性分析[J];华南理工大学学报(自然科学版);2015年12期
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1 宋海涛;履带钻机负载敏感液压系统的研究[D];中国地质大学;2008年
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2 实习记者 崔爽;水下机器人:探索海洋非它不可[N];科技日报;2018年
3 本报记者 金昶;水下机器人 起步中的蓝色商机[N];中国海洋报;2019年
4 记者 江耘;全球首款五驱微型水下机器人亮相[N];科技日报;2018年
5 本报记者 王自堃;畅游冰海探极地[N];中国海洋报;2019年
6 通讯员 霍萍 记者 李丽云;智能水下机器人首次探秘“地球眼泪”[N];科技日报;2018年
7 本报记者 朱彧;为“海洋行走者”装上“智慧眼”[N];中国海洋报;2017年
8 本报记者 陈凌馨 吕栋;水下机器人深海显神通[N];中国经济时报;2018年
9 本报记者 安海燕 通讯员 金声 栗浩;哈工程:水下机器人“世界杯”夺冠之路[N];中国海洋报;2018年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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7 于华男;开架式水下机器人辨识与控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
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3 汤忠强;基于视觉增强的水下机器人目标识别与定位[D];东南大学;2018年
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5 张弓;水下机器人全泵驱动控制方法研究[D];华北水利水电大学;2018年
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8 王雪梅;水下机器人水动力学系数计算与操纵性能研究[D];山东大学;2018年
9 赵彦飞;水下机器人运动姿态控制技术研究[D];西安工业大学;2018年
10 裴蕾;模块化水下机器人设计及力学分析[D];西安工业大学;2018年
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