S^2 BHCA Multiple AUVs cooperation oriented control architecture

Oceanographic survey, or other similar applications should be the applications of multiple AUVs. In this paper, the skill ＆ simulation based hybrid control architecture （S^2BHCA） as the controller＇s design reference was proposed. It is a multi-robot cooperation oriented intelligent control architecture based on hybrid ideas. The S^2BHCA attempts to incorporate the virtues of the reactive controller and of the deliberative controller by introducing the concept of the ＂skill＂. The additional online task simulation ability for cooperation is supported, too. As an application, a multiple AUV control system was developed with three ＂skills＂ for the MCM mission including two different cooperative tasks. The simulation and the sea trials show that simple task expression, fast reaction and better cooperation support can be achieved by realizing the AUV controller based on the S^2BHCA.     

Market based framework for multiple AUVs cooperation

A“Market” based framework for multiple AUVs team is introduced in this paper. It is a distributed meta-level task allocation framwork. The formulation and the basic concepts of the “Market” such as “goods” and “price” are discussed first, then the basic algorithm of the “auction”. The loosely coupled v-MDTSP tasks are considered as an example of the task allocation mission. A multiple AUV team controller and a detailed algorithm are developed for such applications. The simulation results show that the controller has the advantages such as robustness and low complexity and it can achieve better optimization results than the classical central controller （ such as GA） in some tasks. And the comparison of two different local solvers also implies that we should get the reasonable task allocation even not using the high quality algorithm, which can considerably decrease the cooperation computation.     

自主水下航行器发展概述

自主水下航行器（AUVs）因其应用于海洋勘探而逐渐成为一个有趣的研究对象。波浪滑翔机是一种行驶于波浪表面的无人滑行器（SUV）,它借助海洋能来推动自己,这对于典型的AUVs所采用的电机供能以及昂贵的锚链系统浮标供
　　能来说,是一种技术上的重大跨越。该文讨论了最有效率的AUVs类型。第一部分为每一种类型的发展历程,第二部分为它们各自的技术特点。此外,波浪滑翔机作为应用于海洋部门的一种新型水下机器人,文中简要地给出它的过去,现在以及未来的发展概述。研究波浪滑翔机的意义在于证明它的效率以及实用性,进而取代诸多的AUVs来实现各种实际应用。而研究结果也表明波浪滑翔机确实可以应用于众多领域。对于海洋检测而言,相比于其他AUVs,波浪滑翔机提供了更廉价,更经济,更环保的作业模式,同时也不需要缆绳、船舶等海上作业服务。     

近壁面水动力干扰下的AUV运动控制研究

按自治式水下机器人(AUV)需要接近水下工作站并实现坐落的要求,依据平壁面对AUV水动力干扰的力学机理,建立了AUV在平壁面附近运动时的数学模型,并设计了五个自由度运动PID控制器.在海流影响下,通过系统仿真,实现了AUV的五自由度运动控制和准确坐落,仿真结果验证了控制策略的可行性.     

水下无人作战系统装备现状及发展趋势

海军水下无人作战系统因其造价低廉、隐蔽性强、避免人员伤亡等诸多优点而得到大力发展,美国等国已制定各类水下无人作战系统发展规划并开发出便携型、轻型、重型和巨型等多种水下无人作战系统,并向着提高智能化、模块化和标准化程度、拓展多平台搭载使用能力等方向发展。为了应对威胁,我国也应从顶层规划水下无人作战体系发展路线,开发多样化的水下无人作战系统。     

水下航行器三维航迹反演滑模跟踪控制

  目的  旨在研究非线性六自由度自主水下航行器（AUV）的轨迹跟踪问题。  方法  为此,设计三维轨迹变前视距离视线（LOS）导引律,利用李雅普诺夫稳定性判据证明此导引律的稳定性,使用设计的自适应S面控制算法对AUV的航向角、纵倾角和纵向速度进行控制。然后,以REMUS 100 AUV为例, 利用Matlab软件分别对AUV的航向角、纵倾角和纵向速度控制及其空间直线、曲线轨迹跟踪进行仿真,以验证所提导引律的有效性。  结果  结果表明：对于非线性控制而言,相比于传统的S面控制,自适应S面控制可降低控制参数整定的难度,抗干扰能力更强;而且,相比于传统的LOS导引律,所提导引律可使AUV更快地跟踪上参考轨迹。  结论  所设计的轨迹跟踪控制算法能够实现对AUV的三维轨迹跟踪,并改善AUV的操纵性。     

模型参数不确定条件下的自主水下航行器（AUV）自适应编队控制研究

研究了自主水下航行器的编队控制问题,基于编队参考中心思想为每个AUV构造了期望参考轨迹。将每个AUV的系统误差分为自身跟踪误差和与邻居AUV的协同误差两部分,在此基础上,针对AUV模型参数不确定性,提出一种自适应分布式控制律,使得每个AUV沿着自身期望轨迹运动,并与相邻AUV保持同步,从而与编队参考中心保持期望的距离,达到编队控制的目的。文章基于Lyapunov稳定性原理从理论上证明了闭环系统的稳定性,仿真结果表明所提出的算法是有效的。     

拍动式仿鹞鲼水下机器人设计及其游动性能试验

  目的  自然界中的鱼类经过长期的自然选择过程,进化出了各具特色的水中推进模式,具有推进效率高、机动性强与噪音低等优点,是水下航行器的理想仿生对象。为研制新一代低噪声、高机动性的自主水下航行器(AUV),以拍动推进的鹞鲼为仿生对象。  方法  通过分析其胸鳍内在的解剖结构,提出了一种采用对侧柔性胸鳍拍动推进的仿生机器人设计方案,并详述了实验样机本体的制作过程及其底层驱动控制方法。为测试机器鱼样机的游动性能,在实验水域中对所设计的原型样机展开了一系列游动性能测试。实验中测试了机器鱼样机在不同拍动频率下的游动速度,并在确定最大游动速度后,对其进行了机动性能测试。  结果  结果表明,所设计的实验样机能在水中完成包括翻滚、小半径转向与横滚盘旋在内的多种机动动作,其最大游动速度可达1.9倍体长每秒(约为0.73m/s)。  结论  研究初步完成了拍动式仿鹞鲼水下机器人的设计与测试工作,为新一代高性能水下推进器的设计提供了一定的参考价值。     

基于对偶四元数法的AUV运动仿真

本文应用对偶四元数法(Dual Quaternions)建立AUV六自由度运动学和动力学方程,然后运用数值积分对所建模型进行仿真.对偶四元数是对偶数与四元数在多维空间中的有机结合,它继承了四元数与对偶数的优点,可以在三维空间中统一表示刚体的旋转与平移,并且没有常规欧拉法存在的姿态奇异性问题.仿真结果表明,对偶四元数法表达形式简单而统一,特别适用于具有大姿态角度运动的AUV运动仿真.     

积分变结构控制原理在AUV航向控制中的应用仿真

文章研究了积分变结构控制在自主水下机器人(AUV)航向控制系统中的应用,建立了AUV水平面的非线性模型,并在特定的工作点对模型进行了线性化处理,得到了AUV的控制设计线性模型.根据变结构控制理论设计了积分变结构控制器,并给出了消除抖振的方法.仿真试验验证了该设计方法的有效性.     

欠驱动自主水下航行器的镇定及跟踪

针对仅带有轴向推力及偏航力矩的欠驱动自主水下航行器（AUV）,研究了其在水平面内的轨迹跟踪及定点调节问题。基于Lyapunov直接法及串接一反步技术,通过采用一种带有动力学震荡器的跟踪误差变换,设计了一种统一的连续时变状态反馈控制律,并给出了参数自适应更新律以估计AUV的非线性阻力参数,使得AUV的位置及方向角的跟踪误差全局渐近收敛于零点左右的一个邻域内,该区域可以为任意小,并且,AUV的跟踪性能与外界干扰的大小无关。仿真结果证明所提出的方法是有效的。     

水下直升机运动稳定性分析

文章分析一种新型超机动飞碟形的自主式潜水器—水下直升机的运动稳定性,以实现其在海底复杂的作业任务。采用AYASYS-CFX计算流体力学的仿真模拟技术,分析飞碟形的水下直升机在水平面的机动性和垂直面的运动稳定性等水动力关键技术问题。采用多种数值水池模拟的方法,包括直(斜)航运动和圆池旋臂运动等模拟方法,以计算水下直升机的水动力的稳定性导数、水动力(矩)、随攻角变化的压力中心和阻升比等。在设计航速1 kn的情况下,采用Routh线性水动力导数组成的运动稳定性数学模型,分析其水平及垂直面上的运动稳定性。计算结果说明,水下直升机在水平面上回转运动具有战术直径接近零的超机动能力,同时,在垂直面上具有优于传统鱼雷形潜水器的运动稳定性。     

Development trend and key technologies of autonomous underwater vehicles北大核心CSCD

为推进和引导我国自主水下航行器(AUV)的发展,总结国内外AUV的研究现状,提出其系列化、集群化、体系化、大型化的发展趋势。重点探讨AUV总体多学科优化设计、结构与材料设计、动力与推进、导航与控制、探测与通信等关键技术,为更好地利用AUV经略海洋,从而实现“进入海洋、探测海洋、利用海洋”的战略目标提出发展意见。     

融合拓扑交互与信息耦合度的群集式AUV分群控制算法

在无协商、指派及中心控制的自主水下航行器(AUV)集群控制中,AUV群集在进行避碰、多目标追踪等行为时群集分裂的现象不可避免,如果分裂不可控,易出现AUV丢失或分裂后的子群规模差距过大等问题.为了面对外部刺激时群集能进行可控分群,提出一种融合拓扑交互和信息耦合度的分群控制算法,该算法使用信息耦合度作为评判指标衡量个体间...     

某型AUV运载器的定位方法与误差分析

传统AUV依靠水下惯性导航设备自主定位的方法无法实时进行水下信息感知和系统控制。水声定位是AUV定位导航技术的一个研究领域,可用于水下运动目标定位与导航、水下静止目标勘测等。本文分析阐述三种经典AUV定位方法,进一步研究AUV快速定位解算原理,论证影响AUV运载器在深海工作时产生的定位误差来源并进行仿真试验分析,最终将研究成果应用在目前现有某型AUV运载器上,实现自身水下定位、导航与远程遥控。     

基于蚁群优化的AUV全局路径规划研究(英文)

路径规划是自主式水下潜器(AUV)导航研究的重要课题,AUV可用于未知环境如海洋空间探测.在大范围海洋环境中,应用蚁群优化原理对自主式水下潜器的全局路径规划问题进行了研究.引入栅格建模方法建立了蚁群可视图模型,设计了蚁群信息素更新规则;给出了蚁群全局路径规划的操作步骤;针对蚁群规划路径不平滑问题,设计了切割算予和插点算子.仿真实验结果表明,蚁群全局规划算法非常适合于求解复杂环境中的规划问题,规划时间短、路径平滑,其原型系统可应用于非结构化无人环境监测.     

四元数法在AUV六自由度仿真中的应用

AUV六自由度仿真几乎无一例外都是基于欧拉角方法来求解运动微分方程,这种方法可以很直观地得到AUV的位置和姿态角,不过在纵倾角±90°的情况下会产生奇异点,使仿真无法进行下去.为克服上述不足,采用了四元数法取代欧拉法.仿真结果表明,四元数法可以进行任意角度的仿真.     

AUV自主收放装置结构及控制系统设计

AUV技术对于提高海洋资源环境的勘测和开采效率具有重要意义。在AUV收放过程中,传统的回收方式是在母船上起吊回收,人为参与完成挂钩任务,这种方式受风浪的影响较大。为了提高AUV的使用保障能力,需要针对AUV的自主收放技术展开研究。基于AUV良好的实时性、连续性及可移动性的特点,本文设计一套AUV自主收放装置,可用于AUV的自动布放及回收。该装置由固定架、控制台、吊机装置、绞车、定滑轮、钢丝绳、收放架等组成。设计各部分的机械结构,并通过系统校核验证结构设计的合理性。同时,设计AUV收放存储装置控制系统,实现对机械液压执行器的精密控制、传感器的数据采集、系统状态参数显示、试验参数调整、工作状态监控和安全报警等功能,能够对控制系统的控制流程进行辅助判断和安全保障。解决了传统AUV收放技术的难题,提高了AUV收放的智能化水平。     

Applying a semantic information Petri Net modeling method to AUV systems design

This paper informally introduces colored object-oriented Petri Nets(COOPN) with the application of the AUV system. According to the characteristic of the AUV system's running environment,the object-oriented method is used in this paper not only to dispart system modules but also construct the refined running model of AUV system,then the colored Petri Net method is used to establish hierarchically detailed model in order to get the performance analyzing information of the system. After analyzing the model implementation,the errors of architecture designing and function realization can be found. If the errors can be modified on time,the experiment time in the pool can be reduced and the cost can be saved.     

基于扩展卡尔曼滤波的动态协同定位算法

  目的  针对多自主水下航行器(AUV)上装备的惯性导航系统(INS)和多普勒速度计程仪(DVL)失效或未配备的情况,结合传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)估计,提出一种基于双模型的协同定位方法。  方法  建立相对运动模型和双领航状态空间模型,通过水声通信,利用相对运动模型估计跟随AUV的速度信息,再应用双领航模式的多AUV协同定位状态空间模型,进一步提高协同定位系统的鲁棒性和准确性,利用海试数据进行半实物仿真验证。  结果  结果表明,基于双模型的主从式多AUV协同定位方法,能够在跟随AUV上没有INS和DVL的情况下,实时估计跟随AUV的位置。  结论  该方法能够保障协同定位系统定位精度在允许的范围内,降低多AUV协同定位系统的成本。