深海热液探测水下机器人技术 感知、规划与控制

目录 丛书前言一 丛书前言二 前言 1 绪论 1 1.1 深海热液活动探测及水下机器人应用模式 1 1.2 水下机器人深海热液喷口寻找和定位 4 1.2.1 基于海底地形地貌探测的策略 5 1.2.2 基于热液羽流探测的策略 5 1.2.3 AUV探测羽流过程中的在线自主规划 7 1.3 水下机器人热液喷口区近海底自主探测和作业 8 1.3.1 水下机器人海底热液活动探测三阶段 8 1.3.2 自主遥控混合型水下机器人 8 1.4 深海热液探测水下机器人关键技术 11 参考文献 12 2 羽流模型和羽流追踪仿真环境 14 2.1 热液羽流简介 14 2.1.1 热液羽流结构 14 2.1.2 热液羽流示踪物 15 2.2 羽流模型 16 2.2.1 数学模型 16 2.2.2 数值求解 17 2.2.3 示踪物强度计算 19 2.2.4 初始和边界条件 20 2.3 仿真环境 21 2.3.1 软件结构 21 2.3.2 水下机器人运动学和动力学仿真 22 2.3.3 标量场仿真 23 2.4 仿真环境演示 23 2.4.1 三维羽流 23 2.4.2 二维羽流 28 2.4.3 参数设置讨论 30 参考文献 31 3 水下机器人追踪羽流的在线规划 32 3.1 自主机器人羽流追踪研究综述 32 3.2 基于行为的AUV控制系统 34 3.2.1 体系结构 34 3.2.2 制导函数 35 3.2.3 水下机器人混合模糊P+ID控制 39 3.3 非浮力羽流追踪 43 3.3.1 任务描述 43 3.3.2 追踪策略 44 3.3.3 行为设计 45 3.4 浮力羽流追踪 49 3.4.1 问题描述 49 3.4.2 追踪策略 50 3.4.3 行为设计 51 3.5 计算机仿真 54 3.5.1 非浮力羽流追踪仿真 54 3.5.2 浮力羽流追踪仿真 57 参考文献 59 4 水下机器人声光自主感知 61 4.1 基于光视觉感知的热液喷口识别 61 4.1.1 热液喷口识别的光视觉识别策略 61 4.1.2 热液喷口区域样本图像采集 62 4.1.3 样本字典构建 63 4.1.4 稀疏表示滤除背景 63 4.1.5 光流法获取热液羽流主体位置 64 4.1.6 喷口位置定位 66 4.2 海底沉积物类别的光视觉识别 68 4.2.1 海底沉积物探测的研究现况 68 4.2.2 海底沉积物视觉特征提取 69 4.2.3 纹理特征因子分类相关性分析 70 4.2.4 海底沉积物类别分类器构建 71 4.2.5 海底沉积物的分类识别结果分析 74 4.3 声呐图像去噪与增强方法 76 4.3.1 声呐图像去噪方法 77 4.3.2 基于MRF的声呐图像分割方法 77 4.3.3 利用引导滤波对声呐图像去噪与增强 83 4.3.4 声呐图像分割效果分析 87 参考文献 90 5 水下机器人环境探索和目标观察的共享控制 92 5.1 共享控制与应用综述 92 5.1.1 共享控制概述 92 5.1.2 共享控制主要研究思路 93 5.1.3 共享控制在水下机器人领域的研究与应用 95 5.2 基于行为的共享控制方法 96 5.2.1 控制结构 97 5.2.2 环境探索共享控制 98 5.2.3 目标观察共享控制 101 5.2.4 行为综合管理与融合 102 5.3 基于多目标优化的共享控制方法 104 5.3.1 控制结构 104 5.3.2 方法概述 105 5.3.3 目标函数 106 5.3.4 约束条件 108 5.3.5 优化算法 109 5.4 计算机仿真环境 110 5.4.1 系统构成 111 5.4.2 软件结构 111 5.4.3 视景显示模块 112 5.4.4 控制算法模块 114 5.4.5 实物仿真模块 114 5.5 仿真结果 115 5.5.1 基于行为的共享控制仿真结果 115 5.5.2 基于多目标优化的共享控制仿真结果 117 参考文献 120 6 水下机器人路径跟踪控制 122 6.1 水下机器人基本运动控制问题 122 6.1.1 点镇定控制 122 6.1.2 轨迹跟踪控制 123 6.1.3 路径跟踪控制 124 6.2 水下机器人运动学和动力学模型 126 6.2.1 空间六自由度模型 126 6.2.2 水平面三自由度模型 127 6.3 水下机器人的自适应路径跟踪控制 128 6.3.1 不确定性问题与神经网络 128 6.3.2 自适应动态面控制器设计 131 6.3.3 闭环系统稳定性分析 136 6.3.4 计算机仿真 138 6.4 含输入饱和的水下机器人路径跟踪控制 140 6.4.1 输入饱和问题 141 6.4.2 自适应抗饱和控制设计 142 6.4.3 闭环系统稳定性分析 148 6.4.4 计算机仿真 150 6.5 水下机器人全局稳定自适应路径跟踪控制 152 6.5.1 定义与引理 153 6.5.2 全局稳定自适应路径跟踪控制设计 154 6.5.3 闭环系统稳定性分析 160 6.5.4 计算机仿真 163 参考文献 165 7 水下机械手控制和仿真平台 169 7.1 水下机械手建模 169 7.1.1 运动学模型建立 169 7.1.2 动力学模型建立 174 7.2 水下机械手遥控操作 180 7.2.1 遥控操作的种类及系统组成 180 7.2.2 水下机械手的主从控制方法 182 7.2.3 水下机械手的开关控制方法 185 7.2.4 手动规划与自主规划的优化融合 186 7.3 水下机械手作业仿真平台搭建及控制方法验证 187 7.3.1 仿真平台的搭建 187 7.3.2 主手控制方法在仿真平台中的验证 190 7.3.3 开关控制方法在仿真平台中的验证 193 7.3.4 仿真平台的有效性验证 195 参考文献 198 索引 200 彩图