1、欢迎各位老师和同学参加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海流作用下水下机器人区域探测规划方法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
2、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
3、 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” 、
4、 麻省理工学院研制的 “ Odyssey” 、 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 Voyager” 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 ”
5、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
6、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。规划。点对点路径规划又可分为全局规划和局部规划。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、顶点路径
7、。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。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，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。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。将势场的概念应用于移动式机器人的避碰问题。Borentein和和 Korer则提出则提出 了虚势场的方法并指出了这种方法的局限性。
8、了虚势场的方法并指出了这种方法的局限性。 孙茂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。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
9、方法。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。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，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，
10、但其搜索效率低，尤其是障碍物增加的情况下；而且处理的要求也较低，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。覆盖。坐标搜索是指在搜索过程中按着一定的搜索算法来决定下一步的搜索坐标搜索是指在搜索过程中按着一定的搜索算法来决定下一步的搜索路径，坐标搜索的显著特点是可以完成对给定区域的路径，坐标搜索的显著特点是可以完成对给定区域的 100% 覆盖，由于在覆盖，由于在搜索过程中需要实时的确定当前位置，因此对定位精度要求比较高，同时搜索过程中需要实时的确定当前位置，因此
11、对定位精度要求比较高，同时，对处理器的处理能力，传感器的精度及可靠性等都有较高要求。，对处理器的处理能力，传感器的精度及可靠性等都有较高要求。美国美国 Dale Rhineharts group已经通过实验证明，当覆盖要求提高已经通过实验证明，当覆盖要求提高到接近百分之百时，随机搜索算法要比坐标搜索费多得多的搜索时间。到接近百分之百时，随机搜索算法要比坐标搜索费多得多的搜索时间。Coordinated vs. Random Search(with Yangang Zhang, Mark Schervish, Statistics Dept, Carnegie Mellon)Coordinate
12、dGuaranteesEfficientStrong localization requirementsMore sensorsRandomNo guarantees InefficientNo localization requirementsLower computer budget 课题研究的目的与意义n 区域探测是自主式水下机器人的主要应用之一。水下机器人区域探测是指在水下机器人对环境信息未知的情况下，根据给予的指令和探测到的信息，无遗漏的完成给定区域内所有目标的搜索、定位及识别。n 以往的水下机器人区域探测规划中一般不考虑海流的影响，这使得控制器在完成规划器输出轨迹及艏向实现上难以达
13、到理想效果，且造成较大的附加能量消耗。n 由于工作环境的复杂性和不确定性，在水下机器人运动及作业过程中，海流对轨迹、航向控制等均有很大影响，单纯从控制方面改善和提高水下机器人的运动控制性能难以达到理想效果。n 本 课题 来源于 总 装 备 部跨部 门预 研 项 目 “ 智能水下机器人 ” 的研究 课题， 主要研究海流作用下 的 水下机器人区域探 测规 划方法，使水下机器人以尽可能短的 时间 和能量消耗来完成 给 定区域的探 测 任 务 ， 具有适 复杂 海洋环 境的智能 规 划能力 。论文主要研究内容q海流作用下边探测边识别区域探测规划方法设计q海流作用下先探测后识别区域探测规划方法设计基于滚动窗口的探测区域内总体探测算法基于关键点的探测窗口内目标接近与识别基于模糊控制的两点间局部路径规划基于 TSP最短路径问题的全局路径规划
