收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前19条
1 曹少华;张春晓;王广洲;潘水艳;罗文;李森;;智能水下机器人的发展现状及在军事上的应用[J];船舶工程;2019年02期
2 ;水下机器人收放系统[J];重工与起重技术;2017年01期
3 王慧;陈恒钊;黄浩恩;谭聪林;梁棋源;聂兆炜;蔡泽铭;张宇航;;便携式水下机器人系统的设计与实现[J];自动化应用;2018年11期
4 李永龙;王皓冉;张华;;水下机器人在水利水电工程检测中的应用现状及发展趋势[J];中国水利水电科学研究院学报;2018年06期
5 裴国栋;卞则武;温亚楠;;便携式水下机器人设计[J];船电技术;2019年01期
6 王争艳;;核级设备的检修师[J];现代班组;2017年10期
7 张旭东;;我国实现缆控式与自治式水下机器人深海交会拍摄[J];军民两用技术与产品;2017年15期
8 刘珍娜;秦婧文;;浅谈仿生水下机器人的发展现状[J];山东工业技术;2018年01期
9 王永鼎;董亚龙;;水下机器人动力学分析与控制系统研究[J];制造业自动化;2018年03期
10 杨冲;;基于连续体模型应力评估的水下机器人刚度强化设计[J];舰船电子工程;2018年03期
11 凌宏杰;曾庆军;姚震球;;有缆遥控水下机器人的研究与发展趋势[J];中外船舶科技;2018年01期
12 韦荣伟;;水下机器人发展趋势及前景[J];现代制造技术与装备;2018年02期
13 刘晓阳;杨润贤;高宁;;水下机器人发展现状与发展趋势探究[J];科技创新与生产力;2018年06期
14 钱光跃;;水下机器人碰撞动力学仿真与分析[J];山东工业技术;2018年19期
15 李艳生;孙汉旭;贾庆轩;张延恒;褚明;;一种摆式球形水下机器人水底滚动特性分析[J];中南大学学报(自然科学版);2016年11期
16 于海斌;;海洋强国需要水下机器人[J];机器人产业;2017年01期
17 赵羿羽;曾晓光;郎舒妍;;水下有缆机器人装备系统风险源浅析[J];船舶物资与市场;2016年06期
18 张涛;;北京海工展开辟水下机器人展示专区[J];中国水运;2017年02期
19 白雪;;3000米级水下机器人在南海完成海试[J];中国设备工程;2017年08期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 曹晓旭;顾临怡;周彤;吴新然;徐怿弘;王尧尧;;水下机器人收放装置液压系统参数最优化设计[A];仪器仪表学报(2015(增刊)第36卷)[C];2015年
2 罗伟林;吕文靖;;水下机器人型线自动优化设计[A];2013年中国造船工程学会优秀学术论文集[C];2014年
3 沈海龙;赵藤;杜茉;苏玉民;;水下机器人舵翼设计与水动力性能预报研究[A];第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集[C];2009年
4 黄东武;暴景阳;桑金;;水下机器人双频识别声呐系统应用研究[A];第二十一届海洋测绘综合性学术研讨会论文集[C];2009年
5 徐玉如;;智能水下机器人技术的展望[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展(上册)[C];1999年
6 郭威;崔胜国;赵洋;王晓辉;;一种遥控水下机器人视频监控系统[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(2)[C];2008年
7 桑恩方;;用水下机器人进行堤坝安全隐患检测[A];泄水建筑物安全及新材料新技术应用论文集[C];2010年
8 谢海斌;林龙信;沈林成;;仿生水下机器人仿真系统设计与实现[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 孙玉山;代天娇;赵志平;;水下机器人航位推算导航系统及误差分析[A];2011年中国造船工程学会优秀论文集[C];2012年
10 程子健;何小飞;黄继勋;;水下机器人光纤惯导系统大方位失准角初始对准的研究[A];惯性技术发展动态发展方向研讨会文集——新世纪惯性技术在国民经济中的应用[C];2012年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 姜春萌;自主水下机器人智能控制与参数优化技术研究[D];哈尔滨工程大学;2018年
2 李战东;面向核电水池作业的水下机器人及其动力学特性研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
3 潘无为;分布式多水下机器人编队控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2018年
4 姜大鹏;多水下机器人协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
5 高延增;超小型水下机器人关键性能提升技术研究[D];华南理工大学;2010年
6 常文君;基于神经网络的多水下机器人协调控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
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
8 成巍;仿生水下机器人仿真与控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
9 由光鑫;多水下机器人分布式智能控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
10 王玉甲;水下机器人智能状态监测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 董亚龙;小型水下机器人位姿检测及控制系统研究[D];上海海洋大学;2018年
2 商承超;水下机器人自主定位研究[D];广西科技大学;2014年
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
4 杨雨潇;遥控水下机器人控制系统设计及试验分析[D];东北石油大学;2018年
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
6 魏学;自主水下机器人自升沉控制技术研究[D];东北大学;2015年
7 王雷;水下机器人运动控制研究[D];中国科学技术大学;2018年
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
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 王敏;中国工业级水下机器人首次进军日本市场[N];中国经济导报;2019年
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
10 本报记者 文雪梅;中国水下机器人企业创新能力亮眼[N];中华工商时报;2018年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978