水下分散自重构模块的硬件设计

水下分散自重构系统(USS)是一种链式的水下自重构机器人，目前仅包含一种自重构模块(USM—1)，由于水下环境的特殊性，该模块具有不同于陆地自重构机器人模块的特点，详细介绍USM—1的硬件设计，并通过试验检验了USM—1运动和自重构的能力。     

水下滑翔机动力学建模与仿真

随着海洋开发进程的不断加快,水下滑翔机技术得到快速发展。水下滑翔机依靠浮力进行驱动,通过改变重心位置,实现滑翔机姿态调整,具有噪声小、能耗低、探测范围广及工作效率高等优势,在海洋资源探测和海洋环境监测等方面发挥着重要的作用。本文对水下滑翔机进行总体设计,对机体滑翔运动和俯仰姿态进行分析,分别对滑翔器的转动和移动建立相应的动力学模型。     

水下机器人的一种自校正控制方法

本文将综合非线性系统的一种新方法——逆系统非线性补偿解耦控制方法应用于高度非线性强耦合的水下机器人的控制。当模型参数不准甚至时变情况下,针对补偿解耦合的伪线性系统设计了自校正控制器,提高了系统的鲁棒性。     

基于旋量理论的空间机器人动力学建模研究

在旋量理论和Kane方程的理论基础上,将旋量理论和Kane方程相结合,找到理论的结合点——偏速度,即雅可比矩阵,引入了偏速度旋量的概念;介绍了求解机器人雅可比矩阵的新方法——将矢量积和旋量理论相结合的方法,推导出了基于旋量理论的Kane动力学方程。     

水下滑翔器动力学建模及优化设计

水下滑翔器是广泛应用于海洋观测的新型浮力驱动设备。它通过改变重、浮力的比例实现垂直方向运动,通过固定水平翼以及改变浮心和重心的相对位置实现水平方向的运动。文章使用吉布斯函数和阿佩尔方程建立了水下滑翔器动力学模型并指导水下滑翔器设计。首先获得能够建立水下滑翔器动力学特性和内部各移动重物关系的模型。然后,使用计算流体力学软件Fluent获得模型中水动力参数的数值。考虑固定水平翼位置影响,文中以减小能量消耗为目标,给出水平翼的较优位置设计。最后,通过水下滑翔器模型水域试验数据和仿真的对比,证明了动力学模型和水下滑翔器设计的有效性。     

球形水下机器人滚进特性试验与动力学建模分析北大核心CSCD

[目的]为了探究球形水下机器人的滚进运动规律,以及质量分布对其运动的影响,对其机械机构进行创新设计及分析。[方法]首先,依据牛顿-欧拉方法建立球形机器人的滚进动力学模型;然后,通过地面滚进试验和水下滚进动力学理论研究,分析机器人的质量分配对滚进运动产生的影响;最后,通过搭建仿真环境和虚拟样机,对球形水下机器人在水下和陆地的滚进动力学进行对比分析。[结果]结果表明,当内置小车以恒定角速度输出时,该球形机器人的运动位移呈波动变化且驱动小车在球壳内的摆角也成周期性变化规律;当增加驱动配重时,小车摆角的周期和幅值均相应变小,球形水下机器人的运动更为稳定。[结论]所做研究可为球形水下机器人的设计优化提供指导。     

多翼自治水下机器人动力学建模与姿态控制

  目的  自主式水下机器人（AUV）在海洋资源勘探、水下设备检修、水下搜救等领域发挥着重要作用,是探索海洋、开发海洋资源的重要工具。AUV的航向控制是其完成水下作业任务的基础。目前国内工程上多使用常规整数阶PID（比例、积分、微分）控制器进行航向控制,但该方法存在鲁棒性较差和参数整定复杂的问题。  方法  针对以上常规航向控制方法的不足,提出一种基于分数阶PID技术的航向控制器,并结合遗传算法完成控制参数自动整定,以提高控制器的实用性。分别对试凑法整定整数阶PID参数、基于遗传算法整定整数阶和分数阶PID参数的3种航向控制器进行算法仿真对比。  结果  结果表明：基于遗传算法整定分数阶PID参数的航向控制器相较于其他2个控制器,在上升时间与稳态误差基本相当的情况下超调量显著减小。  结论  说明基于遗传算法整定参数的分数阶水下机器人航向控制算法有效并具有优越性。     

全海深自变形水下机器人高效运动实现机理研究

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机器人的设计思想,构建了一种适应于水下水平面与垂直面的高效运动模式,提出一种面向全海深高效运动的自变形水下机器人的实现方法。在对自变形水下机器人潜浮阶段与海底直航阶段运动进行模型分析的基础上,提出基于有效工作时间的运动效率评价方法。最后结合流体仿真软件Fluent对阻力系数的辨识,对自变形水下机器人的运动效率进行评估,验证了该自变形的构形方式相较于传统回转外形构形方式在面向全海深工作环境的高效性。     

小型化碟形水下机器人系统设计

当前应用于湖泊海域的小型水下机器人较少,且成本较高。提出一种自主式碟形水下机器人,并完成了系统设计和相关试验,实现其高度自主化和无疲劳连续性作业等功能,大幅提升小型水下机器在湖泊海域作业的可靠性、安全性和高效性,对于推进小型水域的科考工作发展具有重要意义。     

基于神经网络的水下机器人推进器故障诊断

为提高水下机器人系统的总体可靠性,开展了推进器故障诊断研究。在三层BP神经网络的基础上,提出了一种改进的递归神经网络并推导了网络的训练算法。利用直航、转艏等试验对网络进行训练,将训练好的网络用于水下机器人运动建模,对比模型的输出与实际传感器测量值来获取残差,通过分析残差特性来提取故障诊断判据,进而进行推进器故障诊断。将提出的方法应用到仿真试验和海上试验中,得出了相应的试验结果。通过对试验结果的分析研究,验证了方法的有效性与可行性,同时也表明该方法在工程应用方面具有一定的参考意义。     

带缆遥控水下机器人水动力数学模型及其回转运动分析

提出了一种新型的带缆水下机器人系统三维水动力数学模型。在该模型中脐带缆的控制方程由脐带缆任一微段中的力的平衡条件导出,在此基础上以该脐带缆的控制方程为核心,通过引入脐带缆与水下机器人连接点的边界条件而建立起整个系统的三维水动力学数学模型。数值模拟中作用在机器人主体上的水动力载荷和旋转导管螺旋桨的控制力在考虑了它们之间的相互影响基础上以计算流体力学方法求出。该模型的主要特点是克服了现有的带缆水下机器人系统水动力数学模型将系统各组成部分割裂处理、缺乏从系统整体理论框架中去观察脐带缆、水下机器人主体和螺旋桨推进器水动力特征的缺陷,从一种综合、整体的观点去观察分析带缆遥控水下机器人的动力状态。水下机器人在导管螺旋桨作用下回转运动的数值模拟结果表明,利用所建立的数学模型可以对带缆水下机器人水动力状态进行有效的数值模拟。     

Design of underwater robot lines based on a hybrid automatic optimization strategy

In this paper, a hybrid automatic optimization strategy is proposed for the design of underwater robot lines. Isight is introduced as an integration platform. The construction of this platform is based on the user programming and several commercial software including UG6.0, GAMBIT2.4.6 and FLUENT12.0. An intelligent parameter optimization method, the particle swarm optimization, is incorporated into the platform. To verify the strategy proposed, a simulation is conducted on the underwater robot model 5470, which originates from the DTRC SUBOFF project. With the automatic optimization platform, the minimal resistance is taken as the optimization goal;the wet surface area as the constraint condition; the length of the fore-body, maximum body radius and after-body＇s minimum radius as the design variables. With the CFD calculation, the RANS equations and the standard turbulence model are used for direct numerical simulation. By analyses of the simulation results, it is concluded that the platform is of high efficiency and feasibility. Through the platform, a variety of schemes for the design of the lines are generated and the optimal solution is achieved. The combination of the intelligent optimization algorithm and the numerical simulation ensures a global optimal solution and improves the efficiency of the searching solutions.     

基于凯恩动力学的AUV建模

推导出基于凯恩动力学的AUV运动学和动力学方程。采用广义速度取代速度和角速度,给出了广义惯性力和广义主动力的计算方法。推导出作用在AUV上的水动力的计算方法,并通过仿真实验给出了水动力系数。为了验证该模型的有效性,对AUV的深度控制、前进距离控制进行了仿真。仿真结果表明,该模型是有效的。     

基于ARM与单目立体的自主水下机器人导向结构优化

传统的自主水下机器人导向结构防腐性能差,运行角速度低。针对上述问题,基于ARM与单目立体对自主水下机器人导向结构进行优化,密封水下机器人的各个主要部件,通过外包角皮管密封连接线连接部件与部件,设定导向结构、混合样条曲线的边界、获得形体曲面、确定三维实体来实现结构优化,引入机械装置优化导向结构。实验结果表明,基于ARM与单目立体的自主水下机器人导向结构优化方法能够很好地提高水下机器人的运行角速度,增强防腐能力。本研究对于确保自主水下机器人在水下正常运行有积极促进作用。     

仿生机器鱼的快速起动性能研究

基于鱼类快速起动的仿生学研究,建立了仿生机器鱼S形起动的运动方程,对S形起动的鱼体体干曲线波分别进行仿真计算和分析.通过解析鱼体受到的横向摆动流体举力、尾涡反作用力、边界层摩擦阻力和纵向附加质量力,建立快速起动的动力学模型.利用多步态的仿真实验,分析讨论了各起动性能指标的变化情况,并阐明了各运动控制参数对快速起动性能的影响.     

The design of underwater hull-cleaning robot

The research on underwater ship-hull cleaning robot was conducted on the purpose of realizing the automation of cleaning underwater ship hull so that service life of ship will be prolonged and ship speed will raised. Moreover, fuel consumption and the work intensity of divers will be reduced. In this paper, the current situation and the latest technology in China and abroad were analyzed; meanwhile, the typical characteristics of the underwater cleaning robot were introduced. According to the work principle of the underwater cleaning robot, the emphasis was put on the analysis and study of permanent-magnetic absorption, magnetic wheel, airproof and anticorrosion, underwater cleaning equipment and control system. The robot is easy in rotation and simple in control.     

水下机器人惯性类水动力计算研究

水下机器人水动力导数的获取,是进行机器人运动仿真的前提.本文以复杂形状的水下机器人作为研究对象,计算其所受的惯性类水动力,从而较精确地预报其水动力性能,为控制、仿真技术打下基础.     

水下机器人水动力性能分析与仿真

水下机器人在海洋勘测和军事侦探等领域具有重要作用。本文主要研究水下机器人水动力性能分析和仿真。通过分析静稳定性和动稳定性找出水下机器人处于自适应稳定下的充分必要条件。最后设计了水下机器人稳定仿真平台,通过实验结果表明,水下机器人自适应稳定运动可行。     

基于动态反馈线性化的海洋机器人近水面横摇减摇控制

海洋机器人在近水面低速航行时,在海浪干扰下将产生横摇运动,严重影响机器人安全性能,因此利用零航速减摇鳍系统对横摇运动加以有效控制.针对机器人非线性运动模型及零航速减摇鳍升力模型的特点,利用动态反馈线性化方法设计横摇减摇控制规律.该方法通过将原系统扩展为含有伪状态变量的新系统,实现系统线性化,解决由减摇鳍升力模型引起的系统非线性形式控制输入的问题.理论证明及仿真结果表明该横摇控制规律是稳定有效的.     

基于改进人工蜂群进化算法的移动机器人路径规划与仿真分析

针对经典人工蜂群算法在机器人路径规划中易于陷入局部极值,且寻优过程收敛速度较慢等问题,提出了一种基于约束优化的改进人工蜂群算法.通过设计变异算子来增大极值在陷入局部最优时的跳出概率,提高机器人路径规划的收敛能力.在机器人路径规划上,对文中方法、遗传算法、A*算法以及经典人工蜂群算法进行性能评估.实验结果表明,文中方法能有效避免路径规划中的局部极值,减少机器人路径规划时间损耗,提高了路径规划效率.