弱磁型四旋翼AUV的深度与姿态控制

为对磁性敏感的实验装置提供一个无磁干扰、具有一定深度以及姿态稳定的水下测试环境,设计一款基于经典比例积分微分（PID）算法控制的弱磁型四旋翼水下自主航行器。本文通过外形设计,对该自主航行器进行三维建模,从而建立该AUV的运动学模型,进行稳定性分析。通过电气系统以及控制系统的设计与组装,调整各控制参数,成功搭建该自主航行器并进行水池实验。通过实验可知,基于PID控制的弱磁型四旋翼水下自主航行器通过无浮力缆与上位机连接,可以实现定深以及定姿态的功能。同时将各个误差值控制在理想范围内,验证了该控制系统的稳定性以及鲁棒性。     

水下光通信LED阵列光源方法与实现

为了设计一种新的用于水下通信的光源,分析了LED光源用于水下通信的优势,介绍了水下光通信系统选择光源的条件,进行了具体的LED光源阵列及其光学系统设计,最后进行了水下光通信实验。实验结果表明：LED阵列光源应用于水下光通信,体积小,重量轻,结构简单,能较好、较快地实现水下光通信。     

AUV水下对接装置的实现及试验

为实现自主式水下机器人(AUV)在水下进行能源补充,设计一种针对重型AUV的水下对接装置,采用直接接触充电方式,通过液压系统驱动首部推行机构、限位夹紧机构和水下插拔机构完成对接动作,模块程度高、充电效率高、数据传输能力强。其中AUV自身携带三角槽,通过定位销对三角槽的切向力以及轴向限位实现AUV六自由度姿态的校正,简单有效,而且降低了AUV入坞时的姿态要求。水池试验结果表明,该对接装置可稳定有效地调整AUV姿态,实现水下有线大功率充电,对接成功率高,工程应用价值高。     

多功能模态切换的有缆遥控水下机器人控制系统设计与实验

针对一种面向海洋工程水下结构检测与清污、多功能模态切换的新型有缆遥控水下机器人（ remotely operated vehi-cle,ROV）开发了一套水面水下控制系统。通过对机器人本体水下运动受力计算分析,设计出了动力推进系统,并搭建了水下控制器单元。水面控制台设计包含供电系统、操控系统、通信接口及上位机软件,可实现机器人遥控和监控2种模式下的中等范围搜索和定点观测,并可在浮游和爬行模态之间自由切换。水下机器人姿态测试、定航、定深实验表明：该ROV控制系统性能可靠,能够满足复杂多变环境中的工作要求。     

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。     

用于水下ROV控制的姿态融合技术研究

出于对海洋探索的目的,本文研究设计了一个低功耗、体积小、准确度高的实时性好的水下ROV空间姿态控制系统。系统硬件部分主要由陀螺仪、加速度计以及能耗比较高的ARM-M3内核处理器及相关的外围功能电路组成。硬件部分负责从传感器获取三轴的姿态数据并通过姿态融合算法得出空间角,并通过相关接口上传至上位机观察处理,根据测试结果证明本文设计的基于惯性传感器的姿态检测系统能够用于对水下ROV的姿态控制。     

水下机器人动态对接中的碰撞与稳定控制

为更好地支持多类型水下机器人（AUV）的功能协同工作,进一步提高AUV的综合作业能力,本文针对喇叭口引导式回收坞站动态入坞过程中的碰撞问题,开展水下机器人动态对接技术研究。首先进行AUV的水下受力状况和碰撞相关参数的分析,在此基础上建立AUV入坞碰撞的物理模型,结合Adams/Matlab联合仿真技术,得到碰撞过程中的最大碰撞力,提高了仿真模型的实用性。同时,为解决动态入坞碰撞过程中AUV与移动坞站姿态变化较大的问题,本文设计一套AUV动态入坞的过程控制系统。仿真实验结果可知,该控制系统能够对AUV进行实时姿态调整,实现AUV在复杂场景下的动态回收任务,减少回收对接工作所需要的时间,更好地支持AUV的水下协同工作。     

水下船体表面清刷作业机器人的控制系统

水下船体表面清刷作业机器人是一种新型的用于水下特种作业的机器人。作者从电机驱动、姿态检测、自主控制等几个方面进行了机器人控制系统的硬件及软件设计，实验结果表明控制系统性能达到了设计要求。     

无姿态补偿的水下信标绝对位置传递研究

文章介绍了长基线系统(Long Baseline)相对和绝对校准工作,分析了姿态补偿纵摇(Pitch)和横摇(Roll)对水下信标定位精度的影响机理,对无姿态补偿的绝对位置传递的可行性进行了可行分析研究,给出了基于最小二乘的信标位置计算方法。分析计算了Pitch和Roll的影响。对比了计算得到的无姿态补偿的结果与有姿态补偿结果符合情况及差异,得出了无姿态补偿计算结果可信的结论。该方法满足大多数水下定位作业的要求。利用该方法进行了海上实地测试,验证了通过多个水下信标构成的基阵,在进行相对校准和绝对校准后,在无姿态补偿情况下亦可以完成水下构件安装等高精度水下工程。     

低速水下航行器惯性调节系统的建模仿真

水下航行器低速运动时舵效低,主要通过注、排水来改变质量等惯性参数实现一定范围内的运动姿态调节。为了分析低速水下航行器运动姿态惯性调节策略的可行性,模拟水下低速航行器与其惯性调节系统的耦合动力学特性,本文基于AMESim和Simulink建立了水下航行器的联合仿真模型,实现了水下航行器惯性调节系统的参数化快速建模和工况仿真。以某小型水下航行器为例,通过双环PID控制惯性调节系统,改变航行器的运动姿态,使其在受到海浪等干扰后快速恢复到初始深度,验证了系统的有效性。     

深水钻井立管建模与角度安全控制

从水面钻井平台与水下立管联合作业的安全角度出发,提出一种将钻井立管的力学响应限制特性引入水面平台动力定位闭环控制中的位置保持方法,实现水面钻井平台（或船舶）基于立管角度响应的动态定位。利用有限元方法建立包括立管系统质量、系统刚度、结构阻尼和水动力载荷在内的立管运动控制模型。联合水面浮体和水下立管的低频运动特性建立水面浮体运动偏移与水下立管顶端角度及末端角度的相对运动关系模型。在此基础上,设计基于立管运行响应的动力定位控位方法,实现对立管顶端角度及末端角度的安全控制。仿真结果表明,所提出的方法可行,在外界突变的环境载荷瞬时作用于水面浮体时,能更快地跟踪新的期望最优位置,保证钻井立管运行在安全界限内。     

水下机器人递阶控制系统结构设计

为了简化水下机器人的控制系统设计,实现良好的人机界面,本文提出了解耦三级递阶控制系统结构,它包括由任务脚本和任务解释器组成的任务级控制、位置／姿态级控制和执行级控制。采用这种控制结构,大大缩短了开发周期,提高了软件模块的可重用性。     

新型水下对接装置的研制

本文阐述了新型水下对接装置（系统）的研究目的，分析了对接装置的构成、对接策略和过程，给出了对接目标环相对于对接装置的空间位置和姿态的计算方法。在实验水池中进行了模拟对接实验，验证了对接装置（系统）的有效性和可行性。     

舰船水下电场测量

在舰船电场隐身技术上,北约国家海军大量采用了减少舰船电场的措施,并写进了舰船建造规范。将经典电磁理论的核心内容应用到具有导电性的海水中,以舰船水下电场的特点作为切入点,从电场测量、磁性定位、倾角校正三个方面分析,阐述舰船水下电场测量的原理,并提出舰船水下电场测量系统的基本构想。     

水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析

通过自编软件,采用结构化网格和有限体积法,对水下滑翔机以不同攻角直航时的流场动力学特征进行了数值计算,得到了水下滑翔机在不同攻角时的速度分布和压力分布。分析了升力系数、阻力系数和力矩系数随攻角的变化规律,提出了有效控制滑行姿态的方案;分析了以不同最大攻角滑行时滑行路径和滑行效率,提出了最佳滑行攻角。     

翼身融合水下滑翔机运动仿真分析

针对回转体形状的水下滑翔机浅海水域滑翔能力弱的问题,以翼身融合水下滑翔机为研究对象,对其进行垂直面动力学模型的建立,并采用MATLAB/Simulink搭建运动模型仿真系统进行开环运动响应研究,分析执行机构的调节速度、浮力调节机构布局方式对水下滑翔机运动性能的影响,得到有利于浅海水域滑翔作业的解决方案;研究水下滑翔机系统输入对运动响应参数的影响程度和定量关系,分析水下滑翔机翼身融合水下滑翔机滑翔比与运动角度关系,得到小角度滑翔可充分利用大滑翔比优势适应浅海水域滑翔作业的结论。     

便携式水下机器人设计

出于对近海海洋探索的目的,本文应用了上次研究[1]的水下ROV空间姿态控制系统设计了一种便携式水下机器人。该水下机器人系统硬件部分主要由电源模块、无刷电调、遥控部分以及姿态传感器模块组成,软件控制以及相关数据处理由一块ARM-M3内核的处理器完成,编译软件使用Kile。水下机器人结构采用3D打印机制作,材料选用PLA。遥控通讯采用CAN总线协议。水下机器人经过实际调试可以达到相关技术要求,下潜深度100 M,能实现简单的水下作业要求。     

舱室进水情况下潜艇的挽回操纵

当潜艇由于各种意外事故造成艇体或通海管路破损进水后,具有淹水舱的潜艇在车、舵和高压气吹除作用下的挽回运动过程复杂而危险。文章借助Laval喷管理论建立了高压气吹除主压载水舱的模型,从而建立起包括舱室进水,用车用舵和舱室吹除等因素在内的,考虑了大攻角影响的潜艇挽回六自由度空间操纵运动模型。同时,针对不同进水部位、不同进水方式和不同航行深度等因素,计算得到了典型的潜艇水下操纵性安全界限图中的进水限制线。     

Nonlinear model predictive dynamic positioning control of an underwater vehicle with an onboard USBL system

This paper presents a novel optimization-based approach for dynamic positioning (DP) of a fully actuated underwater vehicle equipped with an onboard ultrashort baseline transceiver to provide relative position information of two earth-fixed transponders near the vehicle. The DP system error is defined by the transponders’ positions compared to the desired values, which occur at the vehicle’s target pose (position and orientation). The proposed DP strategy is composed of two loops in a hierarchical structure. In the kinematic loop, the nonlinear model predictive control is used to generate the desired velocity by optimizing a cost function of the predictive trajectories under the constraints of velocity and transponder bearings over a limited time horizon. In the dynamic loop, the neural network model reference adaptive control with pseudo control hedging is utilized to ensure the asymptotical convergence of velocity tracking errors in the presence of uncertainties associated with unknown model parameters, currents and thruster dynamics. The effectiveness of the proposed control scheme is illustrated by comprehensive simulations.     

基于双目视觉的水下连接器位姿测量方法

水下连接器的对接作业是水下工程作业的重要环节,针对目前依靠摄像机传回视频进行作业过程中存在的操作难度大、依赖操作员经验的问题,设计基于双目视觉的水下连接器位姿测量方法。该方法首先根据水下连接器的颜色特征确定检测范围,之后在检测范围中以水下连接器为模板进行初步定位,然后根据水下连接器端面的成像特点检测椭圆特征,并进行双目匹配获得相关三维点坐标,最后计算得出水下连接器的位姿。实验表明,该方法位置测量平均误差1.3%,姿态测量平均误差3.5°,可以较好地为水下连接器对接作业提供参考。