水下自主機(jī)器人的總結(jié)

1、水下自主機(jī)器人的總結(jié)水下自主機(jī)器人 AUV 的設(shè)計(jì)必須考慮水下特殊的環(huán)境。針對(duì)這 一特殊環(huán)境， 我們需要考慮不同的傳感器配置， 必須考慮水下壓力的 影響。由于 AUV 為無纜機(jī)器人，只能使用蓄電池，所以能源使用效 率也是一個(gè)值得注意的問題。 在這些硬件達(dá)到環(huán)境要求的基礎(chǔ)上需要 做好路徑規(guī)劃。我將各個(gè)方面的大概情況羅列如下：一、水下作業(yè)環(huán)境主要特點(diǎn)：1、耐壓?jiǎn)栴}：一些部件需要置于耐壓殼體之外，為保證這些部 件不受水的侵蝕和水壓作用，應(yīng)采取壓力補(bǔ)償措施。2, 、水下照明問題：一定深度水下要求有足夠的照明。3、水對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的阻力問題： 各運(yùn)動(dòng)部件會(huì)受到水阻力的影響。4、水下載體定位問題涉及兩個(gè)方面：

2、 一方面是大地坐標(biāo)的確定， 另一方面是水下載體坐標(biāo)系的確定。5、信號(hào)傳輸問題：聲音在水中的傳播速度遠(yuǎn)低于光速真空，信 號(hào)傳輸時(shí)延較大，難以實(shí)時(shí)控制。激光通訊是一種有效地技術(shù)手段， 特別是藍(lán)綠激光在水中吸收最小，但藍(lán)綠激光體積過大、效率低、能 耗過大。6、密封問題7、能源問題： AUV 多用蓄電池，所以應(yīng)注意能源使用效率。二、傳感器的選擇使用：為保證自主導(dǎo)航的準(zhǔn)確， 通常需要采用多傳感器集成與信息融合 技術(shù)，以此來得到有關(guān)環(huán)境的可靠信息。 機(jī)器人自主導(dǎo)航的傳感器分為兩類：第一類是內(nèi)部傳感器， 測(cè)量機(jī)器人自身在運(yùn)動(dòng)中的參數(shù)變化，如速度、加速度、位移、角度等，這類傳感器包括慣導(dǎo)、陀螺儀、速 度計(jì)、里

3、程計(jì)、編碼器、線加速度計(jì)、磁羅盤等。第二類是外部傳感 器，用于測(cè)量周圍環(huán)境信息，常用的包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、聲 納、視覺相機(jī)、紅外掃描、結(jié)構(gòu)光。對(duì)幾種常用的傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)做以分析：<1>慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有如下主要優(yōu)點(diǎn)：(1) 由于它是不依賴于任何外部信息，也不需要向外部 輻射能量，因此隱蔽性好，不受外界電磁干擾的影響；(2) 可全天候地工作于空中、地球表面乃至水下；(3) 能提供位移、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo) 航信息連續(xù)性好而且噪聲低；(4) 數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。其缺點(diǎn)是：(1) 由于導(dǎo)航信息是經(jīng)過積分而產(chǎn)生， 誤差隨時(shí)間而增大， 長(zhǎng) 期精度差；(2) 每次

4、使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間；(3) 設(shè)備的價(jià)格比較昂貴；(4) 不能給出時(shí)間信息；<2>聲納傳感器優(yōu)點(diǎn)：(1) 信息處理簡(jiǎn)單(2)價(jià)格低廉(3)利用聲波作為手段，被廣泛用作移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距傳感 器其缺點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng)(2) 數(shù)據(jù)的誤差較大<3>視覺傳感器優(yōu)點(diǎn)：(1)技術(shù)成熟，可以獲取全面的環(huán)境特征信息 (2)在一定范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高 缺點(diǎn)：(1)受到光線的限制，適合的工作環(huán)境有限(2)測(cè)量距離有限(3) 移動(dòng)太快會(huì)導(dǎo)致圖像模糊，進(jìn)而引起計(jì)算出的數(shù)據(jù)失準(zhǔn)三、導(dǎo)航和定位：移動(dòng)機(jī)器人常見的導(dǎo)航方式有磁導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、味 覺導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、 GPS 導(dǎo)航、

5、陀螺導(dǎo)航、羅盤導(dǎo)航、光電編碼器導(dǎo) 航等；導(dǎo)航和定位是確定機(jī)器人在多維工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的 位姿，是移動(dòng)機(jī)器人最基本環(huán)節(jié)。 定位方法根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜 性、配備傳感器的種類和數(shù)量等，有多種不同方法。主要有：慣性定 位、陸標(biāo)定位和聲音定位。GPS,多普勒及聲納導(dǎo)航需要向外界發(fā)送信號(hào)的缺點(diǎn)，可以選擇 捷聯(lián)慣導(dǎo)。捷聯(lián)慣導(dǎo)組成：三軸加速度計(jì)、三軸陀螺組成，可分別測(cè)量線加 速度、角速率；優(yōu)點(diǎn)：用積分法實(shí)現(xiàn)運(yùn)載體位置和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新，是一種成熟的導(dǎo)航技術(shù)。其不依賴外部信號(hào)，且基本不受外界干擾，完全實(shí)現(xiàn)自主 導(dǎo)航，可以選擇它作為導(dǎo)航系統(tǒng)的主要部分。缺點(diǎn)：捷聯(lián)慣導(dǎo)的誤差隨時(shí)間積累的特點(diǎn) ，輸出的數(shù)據(jù)在精

6、度上 滿足不了實(shí)際應(yīng)用中長(zhǎng)時(shí)間定位的要求，需要選用其他誤差不隨時(shí)間 累計(jì)的傳感器來對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作實(shí)時(shí)修正。綜上所述，確定了水下自主導(dǎo)航系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖，見下圖/ 卻匕 I""a 2-1水下自主導(dǎo)短系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)極圄Fig, 2-1 Overview Diagram of AUV Navigation System四、路徑規(guī)劃：路徑規(guī)劃包括兩個(gè)子問題：環(huán)境建模和路徑搜索。路徑規(guī)劃可以分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。 路徑規(guī)劃的方 法主要有：人工勢(shì)場(chǎng)法(Artificial Potential FieldApproaches) 模糊邏輯算法 (Fuzzy Logic Algorithms) 、遺傳算法 (Genetic Algorithms) 以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 (Neural Network Algorithms) 等。五、常用的環(huán)境地圖描述方法大致可以分為以下幾類：柵格地圖 (grid-basedmap) 、特征地圖 (g