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水下机器人移动式对接的全局路径规划方法
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作者 朱子健 姜言清 +5 位作者 李柯垚 孙伟杰 李舒畅 许健鑫 张文君 武皓微 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期1873-1879,共7页
针对无人自主式水下机器人与母艇动态对接时面临的自主式水下机器人欠驱动操纵特性对全局路径的多几何约束要求,以及母艇运动带来的交会点动态变化导致路径的终端约束动态变化等难题,本文提出了一种自主式水下机器人的自主对接路径规划... 针对无人自主式水下机器人与母艇动态对接时面临的自主式水下机器人欠驱动操纵特性对全局路径的多几何约束要求,以及母艇运动带来的交会点动态变化导致路径的终端约束动态变化等难题,本文提出了一种自主式水下机器人的自主对接路径规划方法。该方法主要分为约束求解、运动规划和状态估计3部分。利用自主式水下机器人的动力学模型分析了在对接过程中的运动约束与终端约束;在运动约束和终端约束条件的前提下,基于势场法的思想分别设计了位置约束和姿态约束下的全局路径规划算法,同时提出母艇的位置、速度和姿态估计方法,并依此开展基于全局预测的路径规划方法的仿真。仿真结果表明:本文方法运算速度快、对母艇的状态具有很好的鲁棒性,并且满足运动约束和终端约束,可以在试验模拟真实自主式水下机器人归航时得到一条满足约束条件的光滑路径的路径规划算法。 展开更多
关键词 欠驱动自主式水下机器人 移动式对接 回收 全局预测 路径规划 状态约束 状态估计 人工势场法
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北极冰下双自主水下机器人协同地形匹配导航 被引量:4
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作者 姜言清 马东 +6 位作者 李智慧 李晔 马腾 徐雪峰 侯冬冬 张文君 武皓微 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第8期1091-1095,共5页
针对自主水下机器人北极冰下远距离航行存在较大定位偏差的情况,本文提出利用单波束协同地形匹配导航方法改善定位性能。针对粒子滤波出现粒子退化和粒子耗尽,导致测量更新失效问题,本文设计一种地形自适应双自主水下机器人协同地形匹... 针对自主水下机器人北极冰下远距离航行存在较大定位偏差的情况,本文提出利用单波束协同地形匹配导航方法改善定位性能。针对粒子滤波出现粒子退化和粒子耗尽,导致测量更新失效问题,本文设计一种地形自适应双自主水下机器人协同地形匹配导航方法,根据地形高程标准差计算地形置信度,将地形置信度融入双自主水下机器人协同地形匹配导航系统中,提高了导航方法的鲁棒性。通过模拟仿真对该方法进行验证,结果表明该方法能够有效提高定位的精度及鲁棒性。 展开更多
关键词 自主水下机器人 北极 地形匹配导航 协同导航 粒子滤波 重采样 地形置信度 鲁棒性
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智能无人水下航行器水下回收对接技术综述 被引量:29
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作者 孙叶义 武皓微 +2 位作者 李晔 姜言清 周子烨 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第1期1-11,共11页
针对目前水面母船回收智能无人水下航行器存在的受环境影响大、隐蔽性差、成本高、自动化程度低等不足,AUV水下自主回收对接日益成为研究热点。水下对接可以完成AUV能源补给、数据下载/上传、设备检修等操作,实现AUV水下不间断隐蔽作业... 针对目前水面母船回收智能无人水下航行器存在的受环境影响大、隐蔽性差、成本高、自动化程度低等不足,AUV水下自主回收对接日益成为研究热点。水下对接可以完成AUV能源补给、数据下载/上传、设备检修等操作,实现AUV水下不间断隐蔽作业,具有重要的应用价值。本文结合AUV水下回收对接的特点,归纳了水下对接的优势和困难,分类总结了水下对接的关键技术,包括导引技术、搭载方式、对接装置形式、安全性分析等。综述了近年来各国在AUV水下对接领域的研究成果,并对未来发展方向进行了展望。 展开更多
关键词 智能无人水下航行器 回收 水下对接 搭载方式 安全性 导引 捕捉 几何约束 协调控制
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智能水下机器人自主回收的双目视觉定位 被引量:5
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作者 徐硕 姜言清 +5 位作者 李晔 刘善昌 丁硕硕 马东 齐昊东 张文君 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第8期1084-1090,共7页
针对智能水下机器人与水下基站近距离对接时,传统的光视觉引导方法精度和鲁棒性难以满足要求的问题,本文提出了一种双目视觉引导方法。该方法主要分为光源提取、光源匹配和立体测距3部分。利用图像自适应二值化算法和伪光源剔除算法,得... 针对智能水下机器人与水下基站近距离对接时,传统的光视觉引导方法精度和鲁棒性难以满足要求的问题,本文提出了一种双目视觉引导方法。该方法主要分为光源提取、光源匹配和立体测距3部分。利用图像自适应二值化算法和伪光源剔除算法,得到左右图像的光源标识中心的像素坐标;在光源匹配部分,对光源进行特征提取和匹配,完成左右图像中的光源准确配对;最后对光源阵列进行立体测距,得到相机坐标系下基站的三维位置。实验结果表明:该方法对伪光源具有很好的鲁棒性,并且所得出的基站相对位置和角度均达到了很高的精度。 展开更多
关键词 水下机器人 回收 水下对接 双目视觉 定位 引导 匹配 水下基站
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欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真 被引量:3
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作者 谢天奇 李晔 +3 位作者 姜言清 庞硕 张文君 徐雪峰 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期1501-1509,共9页
为解决欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)移动式回收控制问题以及无法直观展示移动式回收过程的情况,本文设计了一套半物理仿真系统并通过视景仿真模块实时显示AUV与移动式回收装置在虚拟海洋环境中的位姿变化... 为解决欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)移动式回收控制问题以及无法直观展示移动式回收过程的情况,本文设计了一套半物理仿真系统并通过视景仿真模块实时显示AUV与移动式回收装置在虚拟海洋环境中的位姿变化。首先介绍了移动式回收任务的流程;然后设计了一种新的前向速度导引律,并利用基于AUV模型的轨迹跟踪控制方法计算控制指令;最后搭建了半物理仿真系统且由视景仿真界面实时展示移动式回收装置与AUV的位置与姿态信息。仿真结果表明:当AUV由不同位置出发时基于模型的轨迹跟踪控制方法都能控制AUV顺利地靠近移动式回收装置、安全稳定地完成移动式回收任务。 展开更多
关键词 自主水下航行器 欠驱动AUV 轨迹跟踪控制 半物理仿真 视景仿真 移动式回收 水下回收
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全海深水下机器人的重力和浮力计算 被引量:7
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作者 姜言清 李晔 +5 位作者 王友康 曹建 李岳明 孙叶义 殷玉齐 张胜军 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第4期481-486,共6页
全海深水下机器人的潜浮过程中环境物理参数存在显著变化,重力和浮力状态随之改变。通过地球重力加速度及其异常值和深渊剖面海水温度、盐度、压力和密度的计算和分析,结合构成全海深水下机器人不同结构、材料的部件在环境温度、压力变... 全海深水下机器人的潜浮过程中环境物理参数存在显著变化,重力和浮力状态随之改变。通过地球重力加速度及其异常值和深渊剖面海水温度、盐度、压力和密度的计算和分析,结合构成全海深水下机器人不同结构、材料的部件在环境温度、压力变化下的体积变化规律,得到了全海深水下机器人潜浮过程中的浮力变化曲线。结果显示:深渊剖面的重力异常对合力的影响不超过1 N;对于质量为吨级的、由浮力材和玻璃球壳为主要构成的全海深水下机器人,潜至11 km时浮力将增加204 N。为全海深水下机器人在海沟深渊潜浮过程中的静力平衡变化提供了精确的预报。 展开更多
关键词 水下机器人 全海深 浮力调整 玻璃球壳 浮力材 马里亚纳海沟 挑战者深渊
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Intelligent PID guidance control for AUV path tracking 被引量:9
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作者 李晔 姜言清 +2 位作者 王磊峰 曹建 张国成 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2015年第9期3440-3449,共10页
Based on rational behavior model of three layers, a tracking control system is designed for straight line tracking which is commonly used in underwater survey missions. An intelligent PID control law implemented as pl... Based on rational behavior model of three layers, a tracking control system is designed for straight line tracking which is commonly used in underwater survey missions. An intelligent PID control law implemented as planning level during the control system using transverse deviation is came up with. Continuous tracking of path expressed by a point sequence can be realized by the law. Firstly, a path tracking control system based on rational behavior model of three layers is designed, mainly satisfying the needs of underactuated AUV. Since there is no need to perform spatially coupled maneuvers, the 3D path tracking control is decoupled into planar 2D path tracking and depth or height tracking separately. Secondly, planar path tracking controller is introduced. For the reason that more attention is paid to comparing with vertical position control, transverse deviation in analytical form is derived. According to the Lyapunov direct theory, control law is designed using discrete PID algorithm whose parameters obey adaptive fuzzy adjustment. Reference heading angle is given as an output of the guidance controller conducted by lateral deviation together with its derivative. For the purpose of improving control quality and facilitating parameter modifying, data normalize modules based on Sigmoid function are applied to input-output data manipulation. Lastly, a sequence of experiments was carried out successfully, including tests in Longfeng lake and at the Yellow sea. In most challenging sea conditions, tracking errors of straight line are below 2 m in general. The results show that AUV is able to compensate the disturbance brought by sea current. The provided test results demonstrate that the designed guidance controller guarantees stably and accurately straight route tracking. Besides, the proposed control system is accessible for continuous comb-shaped path tracking in region searching. 展开更多
关键词 guidance control region search underactuated AUV intelligent PID path tracking
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Underwater Terrain Positioning Method Based on Least Squares Estimation for AUV 被引量:6
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作者 陈鹏云 李晔 +2 位作者 苏玉民 陈小龙 姜言清 《China Ocean Engineering》 SCIE EI CSCD 2015年第6期859-874,共16页
To achieve accurate positioning of autonomous underwater vehicles, an appropriate underwater terrain database storage format for underwater terrain-matching positioning is established using multi-beam data as underwat... To achieve accurate positioning of autonomous underwater vehicles, an appropriate underwater terrain database storage format for underwater terrain-matching positioning is established using multi-beam data as underwater terrainmatching data. An underwater terrain interpolation error compensation method based on fractional Brownian motion is proposed for defects of normal terrain interpolation, and an underwater terrain-matching positioning method based on least squares estimation(LSE) is proposed for correlation analysis of topographic features. The Fisher method is introduced as a secondary criterion for pseudo localization appearing in a topographic features flat area, effectively reducing the impact of pseudo positioning points on matching accuracy and improving the positioning accuracy of terrain flat areas. Simulation experiments based on electronic chart and multi-beam sea trial data show that drift errors of an inertial navigation system can be corrected effectively using the proposed method. The positioning accuracy and practicality are high, satisfying the requirement of underwater accurate positioning. 展开更多
关键词 multi-beam sounding data underwater digital terrain map fractional Brownian motion least squaresestimation terrain matching positioning fisher diseriminant
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氢氧化镍中间品与硫化镍中间品的联合浸出 被引量:2
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作者 付海阔 沈恒冠 +5 位作者 刘一 赵喜太 段辉 陈龙 姜言清 廖玉俐 《矿冶工程》 CAS 北大核心 2023年第1期110-113,共4页
研究了氢氧化镍中间品和硫化镍中间品联合氧化还原浸出,得到适宜的浸出条件为:硫化镍中间品与氢氧化镍中间品质量比1/10、反应初始酸度4 mol/L、反应温度90℃、反应液固比2.0、反应时间5 h,此条件下氢氧化镍中间品中锰浸出率和硫化镍中... 研究了氢氧化镍中间品和硫化镍中间品联合氧化还原浸出,得到适宜的浸出条件为:硫化镍中间品与氢氧化镍中间品质量比1/10、反应初始酸度4 mol/L、反应温度90℃、反应液固比2.0、反应时间5 h,此条件下氢氧化镍中间品中锰浸出率和硫化镍中间品利用率分别达到99.88%和79.50%,浸出渣可以返回继续还原浸出氢氧化镍中间品。该方法避免了氢氧化镍中间品单独浸出的还原剂消耗和硫化镍中间品单独浸出的氧化剂消耗,实现了氢氧化镍中间品和硫化镍中间品协同浸出,且操作简便,适于工业生产应用。 展开更多
关键词 氢氧化镍 硫化镍 中间品 联合浸出
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Inverse speed analysis and low speed control of underwater vehicle
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作者 李晔 姜言清 +2 位作者 马珊 陈鹏云 李一鸣 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS 2014年第7期2652-2659,共8页
Inverse speed is a reversible maneuver.It is a characteristic of underwater vehicle at low speed.Maneuverability in the vertical plane at a speed lower than inverse speed is different from one at higher speed.In the p... Inverse speed is a reversible maneuver.It is a characteristic of underwater vehicle at low speed.Maneuverability in the vertical plane at a speed lower than inverse speed is different from one at higher speed.In the process of underwater working for observation,AUV's cruise speed is always low.Therefore,the research on inverse speed is important to AUV's maneuverability.The mechanism of inverse speed was analyzed,and then the steady pitching equation was derived.The parameter expression of track angle in vertical plane was deduced.Furthermore,the formula to calculate the inverse speed was obtained.The typical inverse speed phenomenon of the flat body and the revolving body was analyzed.Then the conclusion depicts that,for a particular AUV with flat body,its inverse speed is lower than that of revolving body.After all the calculation and the analysis,a series of special experiments of inverse speed were carried out in the simulation program,in the tank and in the sea trial. 展开更多
关键词 underwater vehicle motion control inverse speed
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考虑几何约束的AUV回收路径规划 被引量:14
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作者 李晔 姜言清 +2 位作者 张国成 李一鸣 陈鹏云 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2015年第4期478-485,共8页
结合3次B样条的曲率连续特性和遗传算法的全局搜索特性,提出了一种适合欠驱动AUV(自治水下机器人)的回收路径规划方法.算法给出连接始末位置的光滑3维路径,适用于AUV回收的归航阶段,能够保证AUV以合适的姿态进行后续的导引对接.首先,分... 结合3次B样条的曲率连续特性和遗传算法的全局搜索特性,提出了一种适合欠驱动AUV(自治水下机器人)的回收路径规划方法.算法给出连接始末位置的光滑3维路径,适用于AUV回收的归航阶段,能够保证AUV以合适的姿态进行后续的导引对接.首先,分析了AUV的欠驱动特性带来的几何约束问题,包括任务终端约束和运动约束.其次,根据B样条曲线的特性确定通过选取控制点序列来给出3维路径曲线的思路.第一步采用样板的方式确定一部分控制点使曲线满足终端约束条件,第二步将AUV的回转和升沉运动约束写入遗传算法,通过对解空间的启发式自适应搜索确定中间控制点,两部分控制点所决定的曲线满足所有的几何约束条件.最后,针对路径的生成和跟踪,设计了半物理动力学仿真试验,从几何的角度对比AUV航迹和路径.结果显示,路径与AUV的运动能力具有很好的匹配特性,能够保证跟踪结束时AUV的位置和姿态满足导引对接阶段的要求. 展开更多
关键词 路径规划 欠驱动AUV 水下回收 遗传算法 B样条
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一种基于电子海图的欠驱动AUV区域搜索方案 被引量:8
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作者 李晔 姜言清 +3 位作者 张国成 黄蜀玲 李一鸣 陈鹏云 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2014年第5期609-618,共10页
针对环境(主要指边界信息)已知的区域搜索任务,设计了适用于欠驱动AUV(autonomous underwater vehicle)的区域搜索方案,能在极少量人工参与的情况下在任务区域的电子海图基础上实现环境模型建立进而规划出全局路径,由AUV自主地完成对路... 针对环境(主要指边界信息)已知的区域搜索任务,设计了适用于欠驱动AUV(autonomous underwater vehicle)的区域搜索方案,能在极少量人工参与的情况下在任务区域的电子海图基础上实现环境模型建立进而规划出全局路径,由AUV自主地完成对路径和地形的自主跟踪,从而实施诸如地理信息采集或物体探测等作业任务.首先,路径规划方法能在给定任务参数的基础上自主地对电子海图进行处理形成环境模型并据此给出2维梳状全局路径,即使区域的几何形状为复杂的凹多边形也能给出合理结果;其次,自主跟踪采用解耦的控制方法,即分别对纵向速度、艏向和深度进行控制,使得AUV能同步地完成对水平面路径和对海底地形的跟踪.提出了一种基于Sigmoid函数的路径跟踪制导控制方法,控制器以AUV的当前艏向及其与路径的横向距离偏差作为输入,经过计算输出参考艏向角;将具有良好鲁棒性的非线性自适应S面控制算法融入执行层的控制,在加速了系统响应的同时减小了超调从而提升了控制效果;最后,跟踪仿真试验的结果显示AUV在水平面对梳状路径的跟踪误差在给定路径规划重叠率参数的前提下能保证AUV对区域扫描的全覆盖,在垂直面对地形高度的跟踪误差符合传感器对距离的要求.全局路径规划方法的可行性在介绍算法的同时结合算例得以验证,跟踪仿真试验也说明自主跟踪控制器能较好地同时跟踪梳状路径和变化的地形. 展开更多
关键词 区域搜索 电子海图 欠驱动AUV 路径规划 跟踪控制
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AUV归航和坐落式对接的半物理仿真 被引量:7
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作者 李晔 何佳雨 +1 位作者 姜言清 安力 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2017年第1期119-128,共10页
为解决现有仿真系统忽略海流干扰,不能直观反映模型实时运动状态的问题,设计了一套以3维视景方式呈现的半物理仿真系统,以直观地反映归航过程中、以及以类似直升机坐落方式进行对接回收的过程中AUV(自主式水下机器人)的运动状态.利用Mul... 为解决现有仿真系统忽略海流干扰,不能直观反映模型实时运动状态的问题,设计了一套以3维视景方式呈现的半物理仿真系统,以直观地反映归航过程中、以及以类似直升机坐落方式进行对接回收的过程中AUV(自主式水下机器人)的运动状态.利用Multigen Creator软件对AUV和水下地形环境建模,通过Visual C++调用Vega的仿真界面库实现视景仿真;运动控制部分基于B样条理论设计归航时的全局路径规划方法,通过遗传算法搜索满足欠驱动约束的全局路径;利用制导控制和执行控制分层结构设计路径跟踪控制器,其中PID(比例-积分-微分)制导律能依据海流信息自适应调整参考姿态角,S面控制律能针对状态信息和参考姿态角实现稳定、快速、准确的响应.基于试验平台,模拟了AUV从释放位置出发、跟踪所计算出的全局路径从而完成自主归航最终实现坐落式对接的全过程.结果表明:海流在归航阶段对AUV的归航路径跟踪偏差量影响较小,在坐落式对接阶段当海流与AUV艏向相对角度较大时其影响较大,甚至使回收失败.所设计的半物理仿真系统可在海流影响下规划合理的AUV归航路径以完成回收,并实时直观地反映整个过程. 展开更多
关键词 自主式水下机器人 半物理仿真 路径规划 水下回收
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海流干扰下海洋观测平台动力定位 被引量:4
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作者 孙叶义 武皓微 +2 位作者 姜言清 安力 李晔 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2018年第1期8-15,共8页
针对小型海洋观测平台,考虑其特殊的回转体形状,建立海流干扰下的运动学模型,针对螺旋桨的环形布置形式制订相应的推力分配方案.通过搭建半物理仿真平台,模拟平台在海流大小不同且方向相同、以及海流大小相同且方向不同时的动力定位过程... 针对小型海洋观测平台,考虑其特殊的回转体形状,建立海流干扰下的运动学模型,针对螺旋桨的环形布置形式制订相应的推力分配方案.通过搭建半物理仿真平台,模拟平台在海流大小不同且方向相同、以及海流大小相同且方向不同时的动力定位过程,结果表明:平台可在海流干扰下完成动力定位且启动快速、定位准确、控制稳定性好.最后通过设计水池试验验证海洋观测平台在静水和海流干扰下的位置控制和艏向控制性能,结果显示海洋观测平台能在期望精度内完成动力定位.发现平台对转艏力矩较为敏感,因平台为回转体形状,在单独控制艏向时,只需较小的推力即可完成定位并且不会对位置控制产生明显的影响;而在进行位置控制时,因为海流和形状的影响,平台需要输出较大的推力.后者情况下,推进器一旦出现推力输出不协调,产生的附加转艏力矩将会对艏向控制产生不可忽视的影响. 展开更多
关键词 动力定位 海洋观测平台 海流干扰 半物理仿真 推力分配
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