基于改进运动平衡点的水下机器人自主避障方法研究
水下机器人的运动学与动力学建模
水下机器人的运动学与动力学建模随着现代技术的不断进步，水下机器人在海洋勘探、海洋工程、深海探测等领域发挥着重要作用。
而要实现水下机器人的精确控制，则需要对其运动学和动力学进行建模。
本文将探讨水下机器人的运动学和动力学建模方法。
一、水下机器人的运动学建模运动学主要研究物体的运动规律，对于水下机器人来说，其运动学模型可以通过描述其姿态、位置和速度等参数来实现。
一般而言，水下机器人的姿态可以通过欧拉角或四元数来描述，位置可以使用三维坐标表示，速度可以表示为线速度和角速度。
从几何角度来看，水下机器人的运动可分为平动和转动两种方式。
对于平动来说，可以使用直角坐标系描述机器人的位置变化，而转动则可以通过旋转矩阵或四元数描述机器人的姿态变化。
此外，水下机器人的运动学模型还需要考虑其各个关节和执行器之间的约束关系。
这些约束可以通过关节角度和关节速度等参数表示，从而实现对机器人运动的精确把控。
二、水下机器人的动力学建模动力学研究物体在受力作用下的运动规律，对于水下机器人来说，其动力学模型需要考虑机器人在水中受到的浮力、阻力、重力和推力等力的作用。
在水下环境中，浮力是一个重要的力，可以通过机器人体积和水密度等参数计算得出。
阻力则是因为水的粘性所产生，需要考虑机器人表面积、速度和水的粘滞系数等因素。
重力则是机器人所受的地球引力，可以根据重力加速度和机器人质量得出。
而推力则是通过机器人的推进器产生的作用力。
综上所述，水下机器人的动力学模型可以通过考虑上述各方面的力来建立。
利用牛顿第二定律和力的平衡条件，可以得出水下机器人的运动方程。
通过求解这些方程，可以得到机器人在不同外界作用力下的运动状态，为水下机器人的控制提供理论支持。
三、水下机器人运动学与动力学的关系水下机器人的运动学和动力学密切相关，运动学提供了机器人位置、姿态和速度等参数的描述，而动力学则研究了机器人在受力作用下的运动规律。
在实际应用中，水下机器人的运动学和动力学模型可以结合起来使用。
水下机器人发展史（我国）
机器人可以进行深海探测。
深海采集。
深海维修。
开发海洋是人类在二十一世纪面临的重大课题，而探索、考察和有效利用国际海域和海底区域是对我国发展海洋高技术和未来海洋产业提出的挑战。
沈阳自动化研究所是国内外有影响的研究与开发水下机器人并形成产品的科研实体之一，首创我国第一台有缆遥控和无缆自治水下机器人。
从某种意义上讲，沈阳自动化研究所的水下机器人各阶段的技术成果代表了我国在这一技术领域的发展水平与过程。
作为中国科学院“知识创新”工程先进制造基地的一部分，沈阳自动化研究所二十年来在水下机器人研制与应用方面为国家水下装备技术，特别是海洋重要装备技术及海洋开发发挥了不可替代的重要作用。
该所拥有一支理念超前，训练有素、经验丰富、技术全面的设计队伍。
水下机器人实验室配备了齐全、先进的试验设备和条件，3个深水模拟压力罐可分别进行水下1000米、1500米、7200米水深的水下模拟试验。
长20米、宽12米、深9米的试验水池可做各种水下机器人整机性能试验和调试。
现已形成了大、中、小型水下机器人系列产品的生产能力，并在国际、国内开展了各种水下工程作业。
早在70年代末期，前瞻性地考虑到海洋是一个广阔的应用领域，从长远看以海洋为背景来发展机器人科学技术，是一项具有开拓性的工作，中国科学院又具有多学科综合性的研究开发能力，因此准备在全院组织力量，支持这一重大项目的实施。
1977年召开的中国科学院自然科学学科规划会议将发展机器人项目列入规划。
蒋新松院士在当年组团赴日考察回国后提出了发展水下机器人的设想。
从此，沈阳自动化研究所锁定了“下海”为海洋开发服务，搞智能机器在海洋中的应用研究的战略目标，决心“要下五洋捉鳖”。
1983年该项课题正式列为中国科学院重点课题，开创了智能机器人科研领域，为水下机器人的研究开发奠定了基础。
二十年来，“水下机器人”由院重点，进而持续列入“六五”、“七五”、“八五”、“九五”和“十五”国家重点项目，成为国家863计划自动化领域智能机器人主题项目的重点内容。
智能水下机器人中的目标检测与路径规划算法研究
智能水下机器人中的目标检测与路径规划算法研究智能水下机器人是一种具有自主控制能力的机器人，能够在水下环境中执行各种任务，如海洋勘探、水下资源开发以及环境监测等。
其中，目标检测和路径规划算法是智能水下机器人实现自主导航和任务执行的关键技术。
本文将重点研究智能水下机器人中的目标检测与路径规划算法，以提高其在水下任务中的效能和准确性。
一、智能水下机器人中的目标检测算法研究目标检测是智能水下机器人实施任务的基础。
在水下环境中，目标的特征信息可能会被水流、污浊的水质以及海洋生物的遮挡所打乱和干扰。
因此，如何在复杂条件下准确地检测目标是一个具有挑战性的问题。
首先，基于深度学习的目标检测算法被广泛应用于智能水下机器人。
这些算法通过从大量的水下图像数据中学习特征，能够自动地、高效地检测水下目标。
其中，卷积神经网络（CNN）是最常用的深度学习模型之一。
通过训练大规模的水下图像数据集，可以提高目标检测的准确性。
其次，传统的计算机视觉方法也可以用于水下目标检测。
例如，基于模板匹配的目标检测方法可以通过与已知目标模板的相似度计算来判断水下目标。
此外，基于图像分割和边缘检测的方法也可以用于提取目标的形状和轮廓信息。
最后，多传感器融合技术可以进一步提高智能水下机器人的目标检测效果。
通过融合来自多个传感器的数据，如摄像机、声纳和激光雷达等，可以获得更全面、准确的目标信息。
例如，将图像和声纳数据融合可提高在低能见度条件下的目标检测。
二、智能水下机器人中的路径规划算法研究路径规划是智能水下机器人实现导航和避障的关键技术。
在水下环境中，机器人需要根据目标位置和环境信息选择最佳路径，避免障碍物、优化能源消耗等。
首先，基于图搜索的路径规划算法是最常用的方法之一。
例如，A*算法可以在有限时间内找到最优路径。
该算法通过评估每个可能路径的代价函数，并根据评估结果选择最佳路径。
另外，Dijkstra算法、深度优先搜索算法和广度优先搜索算法也可以应用于水下机器人的路径规划。
作业型水下机器人机械臂运动规划与控制方法研究
作业型水下机器人机械臂运动规划与控制方法研究作业型水下机器人的机械臂运动规划与控制是水下作业中非常关键的一个方面。
机械臂的运动规划与控制方法的研究直接影响着水下机器人的定位、抓取、探测等任务的完成效果。
本文将从机械臂运动规划的理论基础、控制算法以及工程应用等方面进行研究与探讨。
首先，机械臂运动规划的理论基础是机械学与控制理论的综合应用。
机械学研究机械结构的运动学、动力学、逆运动学等理论模型，可以描述机械臂的运动特性。
控制理论则研究如何通过控制器对机械臂进行精确的位置和姿态控制。
机械臂的运动规划即是在机械学和控制理论的指导下，通过对机械臂的轨迹规划与控制算法进行设计与优化，使机械臂能够在复杂的水下环境中完成各种任务。
其次，机械臂的运动规划方法可以分为离线规划与在线规划两种。
离线规划是在事先对水下环境做好建模和路径规划的基础上，通过预先计算机械臂的运动轨迹，并将其存储在控制器中，以实现对机械臂的精确控制。
在线规划则是在机械臂执行任务的同时根据实时传感器数据和环境信息对机械臂的运动轨迹进行实时规划和调整，以适应复杂的水下环境。
同时，机械臂的运动规划还需要考虑到各种约束条件，如避障、避碰等，以确保机械臂的安全和稳定。
在控制算法方面，机械臂运动规划与控制方法的研究主要包括PID控制、自适应控制、模型预测控制等。
PID控制算法是一种经典的控制方法，可以通过调整比例、积分和微分系数来实现对机械臂位置和姿态的控制。
自适应控制算法则是利用系统辨识和模型适应的方法，实时调整控制参数以适应不同的水下环境。
模型预测控制则是通过建立机械臂的数学模型，并根据预测结果进行控制，以实现高精度的位置和姿态控制。
最后，机械臂运动规划与控制方法在水下机器人的工程应用中具有广泛的应用前景。
水下作业包括油田开发、海洋科学探测、水下救援等多个领域，对机械臂的运动规划与控制提出了高要求。
研究和应用机械臂运动规划与控制方法可以提高水下机器人的作业效率和安全性，减少人工操作的风险和成本。
水下机器人中的姿态控制方法使用教程
水下机器人中的姿态控制方法使用教程水下机器人是一种能够在水下环境中执行各种任务的智能机器人。
在水下机器人的设计中，姿态控制是一个重要的技术，它能够确保机器人稳定地运行和执行任务。
本文将介绍水下机器人中的姿态控制方法，并提供使用教程。
一、姿态控制的重要性水下机器人在水下环境中面临着多种复杂的力和扰动，如水流、洋流和潮汐等。
这些力和扰动会对机器人的运动造成干扰，使其失去平衡和稳定性。
因此，姿态控制是确保机器人能够在水下环境中正常运行的关键技术。
二、姿态控制方法1. PID控制方法PID控制是一种常用的姿态控制方法，它实现了对机器人的位置、速度和加速度的控制。
PID控制器通过测量机器人的姿态与期望姿态之间的偏差，来调整机器人的推进器或运动装置，使机器人能够保持稳定的姿态。
2. 模型预测控制方法模型预测控制是一种基于数学建模的控制方法，它通过预测机器人的姿态和环境的变化来调整机器人的控制参数。
这种方法在水下机器人中的姿态控制中被广泛应用，它能够预测水下环境的变化，并及时调整机器人的控制参数，以适应不同的环境。
3. 自适应控制方法自适应控制是一种能够自动调整控制参数的方法，它能够根据机器人的运动和水下环境的变化来自动调整控制参数，以保持机器人的稳定姿态。
自适应控制方法对水下机器人的姿态控制非常有效，能够提高机器人的性能和适应性。
三、姿态控制的使用教程1. 步骤一：确定任务需求在使用姿态控制方法之前，需要明确机器人的任务需求和工作环境。
通过了解任务需求和工作环境的特点，可以选择合适的姿态控制方法。
2. 步骤二：姿态传感器的选择为了实现姿态控制，需要选择合适的姿态传感器，如加速度计、陀螺仪和罗盘等。
这些传感器能够测量机器人在三个方向上的姿态信息。
3. 步骤三：实现控制算法根据选定的姿态控制方法，可以实现相应的控制算法。
可以使用现有的控制算法库或自行编写控制算法。
在编写控制算法时，需要考虑机器人的动力学模型和控制参数的选择。
水下机器人关键技术研究
夸■疆 道
_ _ l _ ● _ _ _
S p
_
e c
_
ia l
● _ l l
R
_
e
l
po
_ _
r
_
ts
_ _
1
它 是 高层 控 制 实
图2 东 京 大 学 生 产 技 术 研 究所 研 制 的小型水 下 智 能机 器 人 淡 探
“
◆
”
图 3 英 国开 发的螺 旋桨方式推进 的水 下 机 器 人AI 嘲 肛 1 AUv
。
’
一
：
i
^
，
寺j i 譬
。
和
一
一
{0 l
1 1
0
i
：
栏 目主 持：艳
涛
Ｐ具 ２ 仿生推 进技 术 欧米加 导航精 度低 、覆盖 面积 有 限，而Ｇ Ｓ 有全球 较 ）
。
机 器 人 推 进 技术包 括螺 旋 桨 方 式和 仿 生 推进 技术 两 种
1
丰
) 螺 旋 桨方 式
一
丰
螺旋桨是
最 为普遍
。
项 成 熟 的传 统 水 下 推 进 技 术
，
因而 应用
，
但 其 推 进 效 能 的 改 善 已 难 以取 得 突 破 性 进 展
一
，
+
∞地 警 r 奠 I 搿 誊 I j j 至茅 霞 i 曼 j
) 机 械 手 的作 业 运 动 影 响 机 器 人 本体 的运 动 力 学
水下机器人工作原理
水下机器人工作原理水下机器人是一种能够在水下环境中完成各种任务的机器人。
它们通常被用于海洋探测、海底矿产开采、海洋生态保护等领域。
水下机器人的工作原理是通过结合各种传感器和执行器，利用先进的控制系统实现对环境的感知和操控。
本文将介绍水下机器人的工作原理和关键技术。
一、感知技术水下机器人需要通过感知技术获取周围环境的信息。
首先是水下摄像机，它能够实时获取水下图像，使操作者能够通过监视器看到水下环境。
此外，声纳系统也是水下机器人的重要感知装置。
通过发射声波并接收回波，水下机器人可以获取目标的距离、方向等信息。
二、运动控制技术水下机器人的运动控制技术是实现机器人自主移动和姿态调整的关键。
首先是推进系统，通常采用螺旋桨或水动力推进器，通过改变推力的大小和方向实现机器人在水下的移动。
其次是姿态控制系统，包括陀螺仪、加速度计等传感器，用于检测机器人的姿态信息，并通过调整推进系统中螺旋桨的转速和方向实现机器人的姿态调整。
三、工作系统水下机器人的工作系统根据不同的任务需求而不同。
例如，海洋探测任务中常使用声纳系统和摄像机进行海底地形的测绘；海洋生态保护任务中可以安装水质检测仪器，用于监测水中的溶解氧、氨氮等参数；海底矿产开采任务中则需要安装矿产采集设备，用于采集海底的矿产资源。
四、通信技术水下机器人需要与操作者进行远程通信，以实现对机器人的实时监控和控制。
由于水下环境的特殊性，传统的无线通信方式难以使用。
因此，水下机器人通常采用声学通信技术，通过发送和接收声波来实现与地面设备的通信。
此外，水下机器人还可以使用光学通信技术，通过激光器和光接收器进行光信号传输。
五、能源技术水下机器人需要长时间在水下工作，所以能源技术对于其工作时间的保障至关重要。
常见的能源技术包括蓄电池和燃料电池。
蓄电池采用化学反应将化学能转化为电能，并通过供电系统为水下机器人提供持续的电力。
燃料电池则通过氢氧化合反应将燃料转化为电能，具有较高的能量密度和工作时间。
《多智能体系统中编队与避障关键技术研究》
《多智能体系统中编队与避障关键技术研究》一、引言随着人工智能和机器人技术的快速发展，多智能体系统（Multi-Agent System, MAS）已经成为一个热门的研究领域。
多智能体系统由多个自主的、能够协同工作的智能体组成，广泛应用于无人驾驶、无人机编队、机器人集群等领域。
在多智能体系统中，编队与避障技术是两个重要的研究方向，它们对于提高系统的整体性能和鲁棒性具有重要意义。
本文将重点研究多智能体系统中编队与避障的关键技术，分析其研究现状和存在的问题，并提出相应的解决方案。
二、多智能体系统编队技术研究2.1 编队技术概述编队技术是指多个智能体在执行任务时，通过相互协作和通信，形成一定的几何形状或空间布局，以提高系统的整体性能。
编队技术是多智能体系统中的重要技术之一，它可以提高系统的稳定性、可靠性和效率。
2.2 编队算法研究编队算法是多智能体系统编队技术的核心。
目前，常见的编队算法包括基于行为的方法、基于优化的方法和基于规则的方法等。
这些方法各有优缺点，需要根据具体的应用场景和需求进行选择。
此外，编队算法还需要考虑智能体的动态性、通信延迟、环境干扰等因素，以提高算法的鲁棒性和适应性。
2.3 编队技术应用编队技术在无人驾驶、无人机编队、机器人集群等领域具有广泛的应用。
例如，在无人驾驶领域，多个自动驾驶车辆可以通过编队技术实现协同驾驶，提高交通效率和安全性。
在无人机编队领域，多个无人机可以通过编队技术形成复杂的飞行形状，完成空中表演、侦察等任务。
三、多智能体系统避障技术研究3.1 避障技术概述避障技术是指智能体在运动过程中，能够感知并避开障碍物，以保证自身的安全和任务的完成。
避障技术是多智能体系统中的另一个重要技术，对于提高系统的鲁棒性和可靠性具有重要意义。
3.2 避障算法研究避障算法是实现避障技术的关键。
目前，常见的避障算法包括基于传感器的方法、基于路径规划的方法和基于学习的方法等。
这些方法可以根据具体的场景和需求进行选择和组合，以提高避障效果和效率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中
国
造
船
学 术论 文
实并 不能 真实 反 映水下 机器 人在 实 际工 作 中 的动 态变 化情 况 。本 文在 其避 障方 法基 础 上对 其 改进 ，在 确定 避 障策 略时将 水 下机 器人 的航 行速 度 、 电池 电压等 参数 引入 ，介 绍 一种 能实 际 反应水 下 机器 人动 态避 障 能力 的避 障方法 。
关 键 词 ：智能水下机器人； 自 主避障；运动平衡点；安全距离 中图分 类号 ：Ｔ Ｐ ２ ４ ２ 文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
水 下机 器 人在 执行 水 下作 业任 务 时 需要对 周 围环 境 障碍物 可 能造 成 的碰 撞危 险实 时 感知 并做 出应
对 ，研究水下机器人避障技术 的目的是使之具有快速 自 主避障的能力 ，为其完成工作使命提供安全保
基 于 改进 运 动 平衡 点 的水 下机 器 人 自主 避 障方 法 研 究
孙 玉山 ， 一 ，张英浩 ， 一 ，常文 田 １ ， ２ ，李岳 明 ，
（ １ ． 哈 尔ｓ ＫＸ ＿ ｆ ￣Ａ学 水下机器人技术重点 实验 室，哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ；
２ ． 哈 尔滨工程 大学 船舶工程学 院，哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ）
５ ４卷
第 ２期（ 总第 ２ ０ ５ 期）
中
国
造
船
Ｖｏ １ ． ５ ４ Ｎｏ ． ２ （ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎｏ． ２ ０ ５ ）
Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０ ｌ ３
２ ０ １ ３年 ６ 月
Ｓ ＨＩ Ｐ ＢＵＩ Ｌ ＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文章编 号：１ ０ ０ ０ — ４ ８ ８ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ２ ． ０ ０ １ ７ — ０ ９
摘
要
智能水下机器 人一般工作在复杂海洋环境 下，这就 需要其 具有安全 可靠的 自主避 器人的 自主避障方法，将机 器人局部避碰 规划与控制及水动力性 能相结合 ，使制定的避障策略 能
够 反映其动态避 障能力。根 据水 下机器 人速度信 息计算警 戒安全距离 ，进行机器人各个 自由度上运动平衡点 建模 ，并将水 下机器人速度和 电压 能源信 息的影响５ Ｉ 入机器人 避障策略中，在进行避 障规划控制偏 差计算 中 考虑 二者对机器人避 障能力 的影响 ，仿 真试验验 证 了方法 的有 效性 。
１ 避 碰 规 划 器
我们 将水 下 机器 人任 务 目标信 息 、障碍 物信 息 和控 制器 性 能信 息进行 统 一描述 ， 以期 获得 实 时 的
动态 避 障规 划信 息 。这样 便 于对任 务 目标 和 障碍物 信 息等 进行 统一 理解 ，便于 目标 制导 和避 碰等 行 为
之 间进 行协 调 ，使 得运 动控 制器 的偏 差 和偏 差变 化率 的输 入在 时 间上 是平 滑连 续 的 。这 改变 了 以往 各 种 行 为之 问难 以协 调及 在控 制 策略 切换 时 引起控 制器 输 入 的跳 跃 式变 化 ， 同时 由于引 入 了水下 机器 人 运动 控制 器参 数 ，这一描 述 也充分 反 映 了水 下机 器人 的运动 控 制能 力 。 １ ． １ 水下机 器 人运 动平衡 点 根据 水 下机 器人 的外 形 和控 制性 能 以及警 戒 安全距 离 的大 小构 造 一个虚 拟 外壳 ，虚 拟外 壳 上 的点 就是 水下 机器 人 的运动 平衡 点 。运动 平 衡 点的含 义就 是 当水 下机 器人 对外 界信 息作 处 理之 后得 到 的感 知是 障碍 物在 运动 平衡 点之外 时 ，机器 人运 动 是按 规划 的意 志执 行 ；在平 衡 点之 内时 （ 不 包括 最 终 目 标点） ，表 明外界 环境 己对 水下机 器人 产 生 了潜 在 的危 险，需 要机 器人 暂 时放弃 规划运 动 ，转 而执 行规
到 规划 信 息 ，实现 局 部路 径规 划 ，该 方法 克服 了势场 法 易产 生 的局 部极 小 问题 ，适用 于 时变 未知 环境
下 的路 径 规划 ，实时性 较 好 ，取得 了一些 成果 ；其缺 点 是人 的经 验 不一 定完 备 ，输入 量增 多 时 ，推理 规 则和 模糊 表会 急剧 膨胀 。 刘 学敏 博士 在文 献［ １ １ ］ 中通过 设 定水下 机器 人各 个 自由度 上 的运 动平 衡 点 ， 将 水 下机器 人 的 自主避
障规 划 和运 动控 制 结合起 来 ，设计 了一 个集 目标 、障碍 物 和控 制 性能 于一 体 的避 障方 式 ，并进 行 了仿
真试 验 。该 方法 在确 定运 动 平衡 点 安全距 离 时 虽然考 虑 了水 下机 器 人 的运 动控 制性 能 等 因素 ，但其 设 计的 安全距 离值 是一个 定值 ，并且在 考虑 水下 机器 人 的运 动控 制能 力 时也认 为是 一成 不变 的 ，这些 其
障 。水 下机器 人 的 自主避 障方 法有 很 多种【 ｌ 罐 ］ ，如势 场法 、模 糊避 碰法 等 等 。势场 法是 一种虚 拟 力法 ，
其基 本 思想 是将机 器人 在 环境 中 的运动 视为 一种 在虚 拟 的受力 场 中 的运 动 。障碍 物对机 器 人产 生斥 力 ，
目标 点产 生 引力 ， 引力和 斥 力 的合 力作 为机 器 人 的加速 力 ，控 制机 器 人 的运 动 方 向和机 器 人 的位置 。
该方 法 结构 简单 ，便 于底 层 的实时控 制 与实 时避 障 ，但 其 仅仅 根据 相对 距 离来 确定 控 制力 的大 小其 处
理 比较粗 糙 ，并 且存 在局 部 最优 解 的 问题 ，容 易产 生死 锁现 象 。近 些年 一些 学 者将 模糊 推 理 的思想 引
入 水 下机 器人避 障技术 们 ，其 原理 就是 基于 实 时传感 器信 息 的模 糊逻 辑 ，参 考人 的经 验 ，通 过 查表得