水下机器人控制技术教学课件第一章.pptx

1、第一章绪论,授课老师：曾庆军（教授）,目录,1.1 水下机器人研究背景及意义,1.2 遥控水下机器人ROV国内外研究现状,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,海洋面积约占地球总面积的三分之二，它是人类生存和发展的巨大矿藏，在这广阔的海洋中蕴含着极其丰富的资源，对海洋的合理利用、开发必然会对人类社会的进一步发展起到巨大的推动作用。,海洋蕴含着丰富的资源，是人类生存的第二空间。水下机器人的出现为人类进行深海资源的研究与开发提供了强有力的工具。目前，人类在深海打捞、资源调查、生物种群调查、深海基因获取等方面所取得的突破性进展均与水下机器人密切相关。水下机器人技术的发展对于海洋科学研究起到了巨

2、大的推动作用。,1.1 水下机器人研究背景及意义,水下结构体漆膜锈蚀船坞码头、大坝等水下设备维护检查用途海上救助打捞、近海搜索海洋生物观测、深海水产品打捞、资源调查、生物种群调查,1.1 水下机器人研究背景及意义海洋环境对船体及海洋钻井平台等有着巨大的危害，漆膜锈蚀、脱落会导致水下结构体的寿命下降，恶劣的海洋环境还会使其形成损伤。,世界多数的水下机器人可以分为这三种：载人水下机器人（Human Occupied Vehicle，简称HOV），如图 a）所示自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV），如图 b）所示遥控水下机器人（Remotely O

3、perated Vehicle，简称ROV），如图 c）所示,a)b)c)控制系统的设计是水下机器人研究中一个至关重要的方面。,1.1 水下机器人研究背景及意义,1.1 水下机器人研究背景及意义,载人水下机器人能够乘载操控人员、科学家以及各种电子传感器装备等潜入深海，科学考察人员可以在海洋中进行精准的勘探、考察及水下作业，但是由于人自身的生理原因，很难长时间在深海 中工作，因此这限制了载人水下机器人的发展。AUV是一种不带有缆绳的水下机器人，因为在它本体内装有电池包，并且可以通过AUV本身的控制算法实现自身的运动控制，从而完成水下监测任务，AUV一般分为两种形式，即智能式和预编程式；由于没有足

4、够的动力来源，所以AUV也不可以长期工作；AUV在深海中按照预编程的路径行驶，很难进行定点作业。ROV是一种带缆远程遥控水下机器人，它有一个操控台，工程人员可以通过操控台对水下机器人进行运动控制，通过脐带缆上传传感器信号以及下传控制信号，同时通过脐带缆向ROV本体传输动力，因此ROV不受动力源的影响，续航能力强，但是脐带缆的长度会限制ROV的活动范围。,1.2 遥控水下机器人ROV国内外研究现状,1.2.1 ROV的研究现状国外对ROV的研制开始于20世纪50年代，一直到1960年的时候，世界上第一台安全检测及作业型ROVCURV 1在美国问世，此后美国又在CURV1的研发基础上不断改进，从而

5、产生了功能更加完善的 ROVCURV2和CURV3。,CURV 1,1.2.1 ROV的研究现状小型ROV：LBV200-4 MiniROV是美国SeabBotix公司研制的水下机器人；SeabBotix公司生产一种LB型多功能水下爬行机器人；加拿大Seamor Marine公司研发的专用于水下勘察和轻量级作业的Seamor300系列ROV；英国科学家研制的“小贾森”ROV,LBV200-4 MiniROV,LBV300-5 ROV,Seamor300F,小贾森 ROV,1.2 遥控水下机器人ROV国内外研究现状,H2000 ROV,JASON II ROV,Ocean One机械臂操作,1.

6、2 遥控水下机器人ROV国内外研究现状,1.2.1 ROV的研究现状大型ROV：美国生产的SUPER SCORPIO、SUPER PHANTOM、TRITON等；法国国家海洋开发中心与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器；英国从上个世纪九十年代初开始，开展了用于海洋石油开发水下检测的 ARM（自动远程操纵系统）的项目研究；挪威开发的REMO是一种基于遥控潜水器的水下检测机器人；法国海军H2000型水下机器人；伍兹霍尔海洋研 究所研制的JASON ROV；Ocean One是美国斯坦福大学的最新ROV项目之一。,1.2.1 ROV的研究现状我国对水下机器人的研究要从六七十年代开始算起，

7、那时我国还处于理 论研究阶段，还达不到设计研制水平。到20世纪70年代末，中国科学院沈阳自动化研究所联合上海交通大学共同设计研发了“海人一号”ROV；2008年，我国研制了一款深海水下机器人“海龙号”，2014年2月，“海马号”ROV研制成功。,“海人一号”ROV,海龙号,海马号,1.2 遥控水下机器人ROV国内外研究现状,1.2.1 ROV的研究现状国内鳍源科技是一家专注水下机器人领域的公司，公司于2017年推出的消费级水下拍摄机器人FIFISH（飞行鱼）；深圳吉影科技有限公司最新研发的新型水下机器人“波塞冬I号”。,FIFISH ROV,“波塞冬I号”ROV,1.2 遥控水下机器人ROV国

8、内外研究现状,1.2 遥控水下机器人ROV国内外研究现状,1.2.2 ROV运动控制研究现状国外：研究比较深入，成果较多。由于水下机器人模型难以精确建立，算法多基于自适应控制器，常采用的理论算法包含以下几种：PID控制及各种改进的先进PID控制、滑模变结构控制、自适应控制、模糊控制、预测控制、鲁棒控制、神经网络控制等。国内：虽然掌握了机器人控制系统的设计，但对于机器人的运动控制算法，工程上应用最多的是PID控制技术，也有学者在其他控制算法有一定的研究。,1.2 遥控水下机器人ROV国内外研究现状,1.2.3 ROV的发展趋势ROV因其操作方便、节约人工成本、工作效率高、可搭载各种传感器进行检测

9、作业等优点，得到了迅速发展。观察能力、负载能力、顶流能力、运动控制能力等均是水下机器人研究发展的方向，与此同时水面控制系统要求具有更简单的人机交互界面、更快速的数据处理以及更智能的操作模式，这样整套操作流程更加智能化，简化了人的操控作用。如今，虚拟现实、大数据等新名词的提出，吸引着水下机器人往虚拟智能操作、数据共享的方向发展，通过虚拟现实技术，让操控者体验水下环境。,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,ROV的发展趋势ROV技术在飞速发展，其主要方向表现在以下七个方面：向高性能方向发展。向高可靠性发展。向小型化、消费级和人工智能的方向发展。向更大作业深度发展。专业化程度越来越高。在保证

10、系统稳定的条件下，努力提高机器人水下作业的能力。向虚拟现实、数据共享方向发展。,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,20世纪50年代末期,20世纪80年代以后,20世纪90年代之后,进入21世纪,伴，随着计算机、微电子、人工智能和致密新能源等高新技术的进步，以及海洋工业和军用领域的需求，AUV引发了工业界、科研单位和军方的关注，得以快速发展。,90年代初期，美国麻省理工学院开发了6个Odyssey AUV并于 1994年进行了冰下作业。,1.3.1 AUV的研究现状国外对于AUV的研究起步较早，技术也较为成熟，其中尤其以美国、英国、加拿大、俄罗斯、日本等国最为先进。重新掀起了AUV的研

11、究热潮。美国华盛顿大学应用,国外AUV的研发数量开始快速增加。以下对几种广泛采用的中大型AUV进行重点介绍。,物理实验室，开始研发世界上第一艘AUVSPURV。,1.3.1 AUV的研究现状REMUS系列AUV由美国的伍兹霍尔海洋研究所设计，其包括REMUS 100、REMUS 600、REMUS 3000和REMUS 6000四种型号。,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,REMUS 100 AUV,搭载传感器：DVL、侧扫声纳、CTD、摄像机、超短基线定位系统等设备。任务：水文调查、反水雷、港口安全作业、海上搜救等,在2003年的伊拉克战争中被美国海军用于进行近海海域的反水雷任务。

12、,1.3.1 AUV的研究现状美国的OceanServer公司制造的Iver2 AUV。Iver2 AUV最大工作深度为100米并可连续24小时工作。作为当前市场占有率最大的AUV，其被广泛地应用于海洋资源勘探、数据采集、环境调查、水下目标物体搜寻等领域。日本的东京大学研究和开发的 r2D4 AUV。其长4.6m，最大下潜深度4000m，采用光纤惯导和DVL相结合的导航方式，装备有侧扫声纳、水下摄像机、3轴磁力计、PH仪、热流仪等多种传感设备。其主要被用于民用领域，担负着海底地形构造探查、深海矿产调查、海水层大范围监测等任务。,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,REMUS 100 A

13、UV,r2D4 AUV,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3.1 AUV的研究现状英国南安普敦海洋研究中心于1996年研制成功的 Autosub AUV，其长7m，直径0.9m。重1.5t，最大下潜深度1600m，如左图所示。其装有惯性导航系统和多普勒声纳计程仪，组合导航定位精度达0.2%。同时还配备有MRU6姿态传感器、深度传感器、多波束测深声纳、海流剖面声速仪等多种传感器。如右图所示，加拿大的国际水下工程公司于2004年在ARCS AUV基础上研制成功的“Explorer”AUV，长4.56m，直径0.690.74m，重7501250kg，最大下潜深度达5000m。配备有光纤

14、陀螺仪、多普勒声纳计程仪、GPS、超短基线阵定位系统、深度计、前视声纳、水声通信链、无线电通信链和卫星通信链等多种设备。,Autosub AUV,Explorer AUV,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3.1 AUV的研究现状国内对于AUV的研究起始于20世纪90年代，相较于国外起始与发展较晚，主要集中于高校和科研机构，如沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学、上海交通大学、中船702所等。,“探索者”号AUV为沈阳自动化研究所、中科院声学所、上海交大等机构于1994年研制成功的我国的第一台AUV，它可以实现1000m的下潜深度，活动范围达到12海里，续航能力达6小时。配备有多台声

15、纳，能够在设定海域进行目标搜寻与数据和声纳图像保存，同时其还具备水声通信能力。,由沈阳自动化研究所带头研制的“CR-01”号大型AUV。“CR-01”号AUV可下潜至6000m，续航时间达到10小时。“CR-01”号AUV的研制成功标志着我国具有了进行深海细致勘探的能力。1995年8月“CR-01”潜入南太平洋海底，对海底的矿物资源进行了探测与分析，得到了大量关于海底矿产分布的资料。,1.3.1 AUV的研究现状“智水”系列AUV是由哈尔滨工程大学、华中科技大学、中船重工702所和 709所合作研发的AUV。“智水III”号AUV如图所示，该系列AUV主要用于军事领域，具有自主识别水下目标的同

16、时绘制出目标模型图的能力，能够进行自主规划安全航行路线、模拟清除可疑目标和海底区域性扫雷等作业。,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,“智水III”AUV,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3.2 AUV运动控制研究现状目前AUV控制系统包括集中式控制系统与分布式控制系统两种。执行任务的复杂化,搭载设备的不断增加,分布式控制系统一般包括水面监控单元、主控单元与执行单元几大部分。水面监控单元进行任务的下达与机器人运行状态的监控；主控单元依据任务情况与采集到的传感器数据产生相应的决策指令；执行单元通过包括运动控制单元、导航定位单元与信息测量单元几部分，其主要负责指令的执行和环

17、境数据的收集。,控制系统的结构越来越复杂,热点,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,AUV运动控制研究现状运动控制方法：定深定向、动力定位、航迹跟踪当前常用的运动控制算法有PID控制滑模控制自适应控制模糊控制与神经网络控制等由于AUV建模的复杂性和模型传递函数的不精确性，目前在实际应用中通常采用的是PID控制算法。PID使用广泛，但是需要精确的模型。目前已经有学者将PID控制算法与其他控制算法相结合用于AUV控制中。如日本的“AQUA”自主水下机器人将模糊控制与PID控制相结合，利用模糊控制算法不需要被控对象精确模型的特点来改善PID控制算法。,1.3.2 AUV运动控制研究现状AUV

18、按照控制技术可分为预编程与智能型两种。预编程：指AUV按照预先编制的程序执行水下航行使命。采用预编程的AUV具有一定的自主性，但不具备随着环境变化而进行自主决策的能力。智能型：AUV可以建立未知环境模型并根据模型做出规划与决策。目前AUV主要采用预编程的方式，智能型水下机器人比较复杂，其是当前学术界研究的重点方向。,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3.3 AUV导航定位研究现状水下导航定位技术，主要有：惯性导航系统（INS）；全球定位系统（GPS；水声导航系统：包括超短基线定位声呐（USBL）、短基线定位声呐（SBL）和长基线定位声呐

19、（LBL）；航位推算系统综合考虑，在AUV进行环境地图已知的实际工程应用时，将采用由GPS、光纤惯导、多普勒及深度计组成的多传感器组合航位推算方法进行AUV自主导航，但要实现AUV在未知环境中的完全自主导航定位则必须要依靠SLAM算法。SLAM算法是由机器人自主导航需求而发展出的，在AUV的作业环境未知，且AUV的自身位置不确定时，通过SLAM算法，利用携带的声呐、摄像机等声视觉传感器重复多次观测环境中的特征目标，能够确定AUV自身的位置，以及完成对未知环境地图的实时构建。,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3.4 AUV声纳目标跟踪研究现状水对光电信号的吸收率 水对声波信号的吸

20、收率声波信号在水中的传输速度 声波信号在空气中的传播速度,声呐系统功能,基于声纳的探测手段避障,导航,水下信息探测运动物体跟踪,AUV声纳目标跟踪研究现状声纳目标跟踪通常包括图像增强、目标检测、特征提取与识别、目标跟踪几个步骤。常用的声纳图像增强方法有灰度变换、中值滤波、直方图修正等。常用的目标检测方法有背景差分法、帧间差分法、光流法等。常见的图像特征有形状特征、矩特征、投影特征等。声纳目标跟踪中还存在以下问题：首先，海上噪声干扰多，声纳本身也在运动，因此背景不断发生变化，对背景进行建模困难，难以准确的进行目标检测。其次，目前还没有一套通用的目标跟踪系统，只能够针对具体情况具体分析。,1.3

21、自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3 自主水下机器人AUV国内外研究现状,1.3.5 AUV发展趋势AUV由于自身具备实时性好、灵活方便、安全高效等诸多优点，在水下作业中已经获得了广泛的使用。由于未来AUV需要朝着深海远海方向发展，这对其性能给出了更高的要求。,AUV具备以下几点发展趋势,更加自主化。更加标准化与模块化。集群化。能源的高效化。向更大作业尺度发展。向高可靠性发展。发展军用小型AUV。,思考题,1.水下机器人有哪些种类?分别有什么特点？,AUV和ROV分别适用于哪些领域？请举例说明。水下机器人在获取信息的手段有哪些，各有何优劣？说说当前水下机器人的发展趋势？虽然水下机器人在我国飞速发展，但是总和国外水下机器人有部分差距，查阅文献资料，分析我国与国外水下机器人领域差距在什么地方，又存在哪些优势？,