杨清梅[1]2003年在《基于数据融合的拱泥机器人检测系统研究》文中研究表明拱泥机器人是一种能在水下泥土环境中按规划轨迹完成攻打千斤洞作业的新型水下特种机器人，用来替代目前潜水员攻打千斤洞的手工作业。攻打千斤洞是沉船打捞作业中的一项关键工序，即在沉船底部清理出一条穿引抬船用钢缆的通道。目前攻打千斤洞由潜水员采用手动攻泥器进行作业，手工操作，劳动强度大，效率低，且危险性高。本文针对这一问题，结合国家自然科学基金项目“基于蠕动原理拱泥机器人基础技术的研究”，进行了基于数据融合的拱泥机器人检测系统的研究工作。拱泥机器人的检测系统是拱泥机器人研究中的一项关键技术，是拱泥机器人能否按规划轨迹完成打洞作业的前提和保证。 文中综述了多传感器数据融合理论的研究现状，多传感器数据融合是一种新的多门类跨学科的信息综合、信息处理技术。总结了数据融合的基本方法和研究方向，分析了数据融合技术在机器人等领域的发展现状。 根据拱泥机器人的机械结构特点和特定的工作环境，通过对拱泥机器人的运动学分析，提出了拱泥机器人的检测方案。其定位系统针对拱泥机器人以蠕动方式运动的特点，利用机器人的姿态信息和拱泥头位移信息，采用相对定位的方法实现拱泥机器人的定位。其避障系统利用加速传感器检测机器人是否遇到障碍，使拱泥机器人在遇到不可攻穿的障碍时不被损坏。其工作压力检测系统利用多个压力传感器，检测整个气压系统的各部分的工作状态。 论文中研究了拱泥机器人的总体检测结构，上层为PC机，中层为主AVR4433单片机，下层为从AVR4433单片机，各层之间采用串行通讯。对拱泥机器人的工作压力检测系统、避障检测系统和定位系统进行了设计，选择了传感器，设计了各传感器的接口电路和检测软件。 运用误差分析理论对拱泥机器人定位误差累积进行了分析，提出了利用LMS算法减小拱泥机器人的定位误差。对自适应算法的应用和分类进行了研究，尤其是非递归的横向滤波器的结构。在MSE线性滤波中权值的均方误差函数的推导的基础上，对LMS自适应滤波器的结构和收敛性的理论分析进行了研究。对文中采用的LMS算法进行了仿真，仿真结果表明该方法能哈尔滨工程大学博士学位论文有效地降低定位系统的误差。 为提高拱泥机器人定位系统的可靠性，降低相对定位方法的累积误差，提出了基于卡尔曼滤波的数据融合方法。仿真结果表明该方法能减小拱泥机器人的深度误差。并针对卡尔曼滤波因模型不准确而导致的滤波发散问题，提出了模糊卡尔曼的数据融合算法。根据卡尔曼滤波中新息的大小，利用模糊控制器实时地估计卡尔曼滤波增益的权重系数，增加新息的利用率。仿真结果表明模糊卡尔曼滤波器能有效地降低定位系统的深度误差，抑制因野值的出现而导致的滤波发散。 在实验室内建立了拱泥机器人原理样机的实验系统，利用模拟实验验证了机器人检测系统的性能。对拱泥机器人在直线轨迹和平面轨迹上运动时定位系统的性能进行了实验验证。
张英[2]2005年在《水下仿生拱泥机器人及其关键技术研究》文中研究说明随着航运事业的日益发展,船舶触礁以及船舶间的碰撞等引起的沉船事故也屡屡发生。这些沉船成为名副其实的“水下暗礁”,给来往航行船舶的安全带来很大威胁,也严重降低了航道的通行效率。因此,提高打捞效率,快速清除航道中的沉船,对我国的交通运输和经济发展都具有重要的现实意义。 传统打捞方法主要是以潜水员个人的体能和经验为主的劳动密集型潜水作业。在沉船底部进行穿千斤作业是沉船打捞中的关键工序,目前我国普遍采用手动攻泥器,由潜水员手工操作。由于水底淤泥地质复杂,水下作业环境恶劣,使得水下打洞和穿引千斤缆是一项劳动强度极大、效率低且危险性很高的工作,尤其是在深度较大、地质复杂的海区,难度就更大。因此,沉船打捞业急需研制一种全自动自主作业的水下穿千斤的设备,以部分甚至完全替代潜水员的水下作业。这种自动化作业设备称为拱泥机器人,它是一种新型水下特种机器人,是自主移动机器人领域中的新成员,属于极限作业机器人的范畴。 目前,实现水下穿千斤的自动化作业还是一个世界性难题。对于专门针对水下穿千斤作业、工作在海床或河床以下的淤泥环境之中的拱泥机器人的研究,目前国外尚无相关的研究报道。近年来,国内几所科研院所率先对此进行了一些探索性研究,并提出了几种拱泥机器人的原理方案。 本文在全面总结拱泥机器人最新研究成果的基础上,对水下仿生拱泥机器人及其关键技术展开了深入研究和创新设计。 (1)针对目前拱泥机器人方案研究中所存在的一些工程可行性不足等问题,研究和设计了一种新型水下仿生拱泥机器人原理样机的总体设计方案,并从理论和实验上论证了方案的工程可行性。 (2)将拱泥机器人的复杂运动分解为仿生自律蠕动和姿态调整两类基本运动,统一了机器人自身姿态合成与定位算法,为混合控制模式的实现和机器人运动学分析及仿真模型的建立提供了便利条件。 (3)将尾缆实际进给量作为机器人“准绝对”定位的参数,为机器人构建了两套位姿检测系统及其迭代算法,利用定位测量数据的冗余建立了数据融合算法,有利于提高定位系统的精度和可靠性。 (4)基于液压振动原理,将冲击机构、随动机构和控制机构进行了有机集成,
王岚[3]2003年在《拱泥机器人的控制系统及路径规划研究》文中研究表明拱泥机器人是一种在水下完成打洞穿缆特种作业机器人。沉船打捞作业中的一项主要工序是水下攻打千斤洞，即在沉船底部清除出一条穿引抬船钢缆的通道，目前攻打千斤洞一般采用手动攻泥器，由潜水员手工操作，劳动强度大，效率低，且危险性高。拱泥机器人能够在水下泥土环境中按规划轨迹完成攻打千斤洞作业任务，以替代潜水员的手工操作，实现自动化的水下攻打千斤洞作业。拱泥机器人的控制与路径规划是拱泥机器人研究中的一项关键技术，为拱泥机器人按规划轨迹完成攻打千斤洞作业提供了技术保障。本文在国家自然科学基金项目的资助下，对拱泥机器人的控制系统及其路径规划问题进行了深入研究。 文中概述了与本课题相关的国内外研究与发展现状。综述了移动机器人智能控制理论的发展、智能控制的方法和国内外研究状况，评述了移动机器人路径规划的基本方法、研究和国内外发展现状。 对拱泥机器人运动学和动力学进行了研究。本文针对拱泥机器人蠕动爬行的特点，建立了拱泥机器人的叁维运动学模型，并进行了仿真验证。分析了拱泥机器人在水下泥土环境中受力情况，在此基础上采用Routh方程建立了拱泥机器人蠕动爬行机构分解子运动的动力学方程。 根据拱泥机器人工作环境具有很强不确定性的特点，本文将传统PID控制与神经网络相结合，设计了一种基于BP神经网络的自适应PID控制器，该控制器通过BP神经网络在线自动整定PID参数，使拱泥机器人具有一定的自适应能力。通过对拱泥机器人头部的受力分析，建立了头部转动自由度的神经网络模型，用来提供BP神经网络学习时所需要的梯度信息。 研究了拱泥机器人的路径规划方法。设计了基于模糊神经网络的实时局部路径规划器。拱泥机器人的路径规划策略是首先进行离线全局规划，然后，在拱泥机器人行走时，实时局部路径规划器在全局规划的基础上，根据传感器获得的实时环境信息进行在线规划，实时调整规划的路径，确定当前的局部子目标，使拱泥机器人最终完成攻打千斤洞的任务。 设计并实现了拱泥机器人样机的控制系统。根据拱泥机器人的机械结构特点和特定的作业环境，采用上、下位机两级控制的方案，上位机为PC机，哈尔滨工程大学博士学位论文负责拱泥机器人规划工作，下位机为AT9054433单片机，上下位机之间采用串口进行通讯。建立了拱泥机器人的室内实验平台，进行了拱泥机器人原理样机的实验研究，获取了必要的试验数据，为进一步研制工程化样机奠定了坚实的基础。
颜兵兵[4]2008年在《拱泥仿生机器人系统设计及其虚拟样机研究》文中进行了进一步梳理拱泥机器人是一种能在水下泥土环境中按照规划轨迹完成攻打千斤洞作业的新型水下特种机器人,用来替代潜水员攻打千斤洞的手工作业。由于拱泥机器人是工作在海底泥土环境中,缺少必要的检测和通讯手段,一旦在试验或工作中发生意外,势必造成金钱和时间上的浪费。针对这一问题,本文提出了一种拱泥仿生机器人的总体技术方案,并对其虚拟样机展开了研究,为拱泥机器人实验样机的研制奠定了基础。应用虚拟样机技术开发基于蠕动原理拱泥仿生机器人是增强我国拱泥机器人自主研发和技术创新能力的有效途径。在拱泥仿生机器人设计的初期阶段针对其仿生机构、海洋土力学、运动学及其控制策略进行数学建模与仿真研究,可对拱泥仿生机器人总体性能进行匹配和整体优化,这对于缩短产品开发周期、降低成本、改进设计质量、提高市场竞争力具有重要的理论意义和学术价值。论文的主要研究内容如下所述。论文介绍了基于蠕动原理拱泥仿生机器人系统设计及其虚拟样机研究的背景与意义,概括了蠕动爬行机器人以及国内拱泥机器人的研究现状,从产品开发流程的角度出发,阐述了虚拟样机技术的产生背景、理论与方法及其工程应用,基于仿生机器人的主要研究问题即机构设计问题、建模问题以及控制策略问题这叁个方面,提出应用虚拟样机技术进行拱泥仿生机器人系统设计及其虚拟样机研究的主要内容及其技术路线。根据蚯蚓的生理结构及其运动机理,提出了一种拱泥仿生机器人的总体技术方案;结合并联机构的特点,对拱泥机器人转向关节展开了深入的研究,并进行运动学的数值分析及计算机仿真研究。仿真结果表明,转向关节具有推进、跟进及转向叁个功能。同时基于并联机构工作空间的研究方法,进行了转向关节装配方案的优化设计,并基于自顶向下的设计方法,进行了转向关节的参数化叁维建模与自动装配方面的研究。基于自主移动机器人的控制策略分析的基础上,提出了基于规划与行为的混合式拱泥机器人控制体系结构;结合拱泥机器人的整体结构和运动特点,分析了拱泥机器人的控制策略,并设计了拱泥机器人的局部路径规划器。论文介绍了海洋沉积土的来源与分布情况,以及淤泥质粘土的工程性质。应用土的抗剪强度理论等经典土壤力学理论从宏观上进行拱泥机器人直行和转向时的受力分析。应用离散单元法进行土壤动态行为模拟,从细观上揭示了土壤动态行为的变化规律。在转向关节运动学模型的基础上,建立了拱泥机器人的运动学模型,为拱泥机器人的虚拟样机研究奠定了基础。通过分析复杂产品虚拟样机的信息与功能集成原理,建立了基于参数驱动的虚拟样机体系结构,并采用实例分析的方式将该结构应用在拱泥机器人虚拟样机的设计中。该结构为企业开发复杂产品、实施虚拟样机工程、进行产品创新提供了一条有效的途径。在虚拟样机的仿真实验研究方面,首先提出了避障控制器路径规划算法,并进行了仿真实验;采用多种计算机技术,分别从数据接口模块、数学运算模块、图形化仿真模块、硬件接口模块等方面展开研究,建立了拱泥机器人运动过程的图形化仿真平台,并进行了拱泥机器人作业模拟实验。在总结全文工作的基础上,对进一步的研究提出了建议和展望。
参考文献：
[1]. 基于数据融合的拱泥机器人检测系统研究[D]. 杨清梅. 哈尔滨工程大学. 2003
[2]. 水下仿生拱泥机器人及其关键技术研究[D]. 张英. 武汉理工大学. 2005
[3]. 拱泥机器人的控制系统及路径规划研究[D]. 王岚. 哈尔滨工程大学. 2003
[4]. 拱泥仿生机器人系统设计及其虚拟样机研究[D]. 颜兵兵. 哈尔滨理工大学. 2008
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