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我的硕士论文答辩会!
学生:韩志学
导师:张铭钧教授
专业:机械电子工程
海流作用下水下机器人
区域探测规划方法
水下机器人也称作潜水器(Underwater Vehicle)。世界上第一台载人潜水器Argonaut the First是由西蒙·莱克于1890年制造的。20世纪60年代到70年代中期是载人潜水器发展的鼎盛时期,其技术发展逐步成熟。在使用过程中人们发现并利用载人潜水器的优点,同时也暴露了其缺点和局限性。随着遥控技术与机械手技术的发展,人们开始进行无人潜水器的研究。1960年美国研制成功了世界上第一台系缆遥控式潜水器(Remotely Operated Vehicles,ROV)- “CURV1”,它与载人潜水器配合,在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹,由此引起轰动。但是,系缆式ROV的作业空间受到限制,系缆又经常与海底建筑、沉船、岩石等其它设施发生缠绕,不能在结构内部作业,同时,它要求母船具有良好的船位保持能力,这些缺点限制了它的应用。因此,在20世纪60年代,军事与工业部门开始注重无人无缆式潜水器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)的研究。
与载人潜水器相比较,AUV具有安全、重量轻、尺寸小、造价低等优点。与ROV相比,AUV具有活动范围大、潜水深度深、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持等优点。AUV代表了未来潜水器的发展方向,是当今世界各国研究的热点。
水下机器人国内外发展及研究现状
目前,许多国家的大学和研究机构都投入了大量的人力和物力用于AUV系统的研究和开发。在该领域,美国技术力量比较雄厚,其中有代表性的AUV系统有美国海军研究生院研制的“Phoenix”、辛罕布什尔大学海洋系统工程实验室研制的“EAVE EAST”、麻省理工学院研制的“OdysseyⅡ”、佛罗里达大西洋大学与美国与美国派瑞技术有限股份公司研制的“Ocean VoyagerⅡ”等。日本在AUV的研究也处于领先地位,东京大学的URA实验室开发了许多不同功能的AUV,如“Twin Burger”、“PTEROA150”等。图1为美国海军研制的AUV-AUSS。
图 1 美国的AUSS
图 2 “CR-01”6000米自治水下机器人
我国无人遥控潜水器及自主式水下机器人从六十年代中期就开始进行了一些探索性研究,“七五”在863智能机器人主题下将水下机器人的开发研制列入国家重点攻关项目,“八五”期间智能水下机器人技术得到了迅速发展。经过我国工程技术人员长期努力,先后研制了“海人一号”、“海人二号”水下试验床等。1995年8月,作为我国“八六三高科技发展战略”成果的“探索者一号”6000米无缆自治式水下机器人在太平洋的深海功能试验成功。此后,经过一年半的改造,命名为CR-01(图2),又于1997年5月再一次在太平洋圆满完成各项海底调查任务。这标志着我国在AUV研究方面已进入世界先进水平。
AUV路径规划及研究现状
水下机器人规划问题是指综合机器人动作序列并执行的问题,从给定的状态出发,这个序列能够使机器人达到预期的工作目标,完成规定的工作任务。根据水下机器人完成作业的不同将可分为点对点路径规划和覆盖式路径规划。
点对点路径规划又可分为全局规划和局部规划。全局路径规划就是根据先验知识(如地图等),在有限条件下规划出一条从起点到达目标点的无碰路径。目前,全局路径规划的研究方法主要有图搜索法、位置空间法、顶点图法、正规栅格法、势场法、遗传算法等。
局部路径规划处于规划的底层,它通过各种传感器、处理器同环境交互,把全局规划得到的一系列路径关键点作为系统的子目标序列,规划一条实际的路径。Brooks将势场的概念应用于移动式机器人的避碰问题。Borentein和Korer则提出了虚势场的方法并指出了这种方法的局限性。孙茂相等提出预测控制与人工势场法相结合用于水下机器人实时路径规划中。随着智能控制技术的发展,模糊避碰及神经网络方法在局部路径规划中得到了广泛应用,它们的共同优点在于不需要知道环境的解析模型。
传统的点对点路径规划方法不能解决地面清洁,草坪修整,探雷,收割庄稼,以及粉刷等工作。这些具体的任务都需要覆盖式路径规划方法。覆盖式路径规划就是指机器人对整个目标区域进行探测,完成特定的任务。未知环境中,对给定区域进行搜索的方法主要有随机搜索和坐标搜索两种。
随机搜索是指在搜索过程中,搜索路线是随机的,主要用在比较简单,障碍物分布较少或比较规则的环境中,没有定位要求,对信息的计算与处理的要求也较低,但其搜索效率低,尤其是障碍物增加的情况下;而且其对搜索区域的覆盖只是概率意义上的,不能保证对搜索区域的百分之百覆盖。
坐标搜索是指在搜索过程中按着一定的搜索算法