| 题名 | 自主水下机器人-机械手系统作业区域视觉定位技术研究 |
| 作者 | 公丕亮 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-06-02 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 导师 | 张艾群 |
| 关键词 | 水下机器人-机械手系统 自主/半自主作业 视觉定位 广义最小二乘 相对地图滤波器 |
| 其他题名 | Research on Visual Localization for Autonomous Underwater Vehicle-Manipulator System in the Working Area |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 中文摘要 | 随着水下机器人技术的发展，其在海洋资源调查、海洋科学考察、海洋地质勘探以及军事领域得到了广泛的应用。目前，水下机器人正朝着长航程、大深度、作业型方向蓬勃发展，利用水下机器人进行海洋作业也逐渐受到人们的重视。自主水下机器人-机械手系统（UVMS）是一种典型的作业型水下机器人系统，利用其进行自主/半自主作业是目前水下机器人领域的研究热点之一，其潜在应用包括灭雷、设备布放、海洋自主采样（如热液硫化物）等。在作业区域内如何有效地对载体进行定位，是UVMS自主/半自主作业的关键技术之一，包括目标接近过程中载体相对于海底环境的定位技术，以及目标保持过程中载体相对于目标的定位技术；前者保证UVMS在接近目标的过程中始终按照预定轨迹运动，后者保证UVMS始终稳定地保持目标，以便为作业阶段提供预备信息。 本文结合国家“863”课题“自主水下机器人-机械手系统协调控制关键技术研究”的需求，对自主/半自主作业过程中的UVMS定位问题展开了深入研究，包括目标区域内的图像前期处理及鲁棒目标保持技术、载体相对于目标的定位技术，以及接近区域内基于环境路标的载体定位技术等。 本文研究内容主要包括： 1、研究UVMS定位所需传感器的模型（主要是不确定性模型），为UVMS的定位精度分析提供理论基础。从双目立体摄像机的立体测量原理入手，分析了立体测量的不确定性模型；分析比较了航向测量传感器的不确定性模型。 2、研究UVMS在“目标区域”内涉及的关键技术，按照作业流程，分别讨论了水下图像的前期处理、鲁棒目标保持、UVMS相对于目标的定位等问题。图像前期处理的主要目的是对水下图像进行去模糊处理，为此本文采用了基于Z型滤波参数的小波变换方法，该方法简单易行，实时性好，图像增强效果显著，并可以较容易地控制水下图像的噪声。对于经过前期处理的图像，本文利用立体测量数据及姿态（航向）数据，采用基于形态图的方法进行作业目标保持，可以增强“基于局部特征目标识别”的鲁棒性。在上述研究内容的基础上，推导了UVMS相对于目标的定位方法，并对定位结果的不确定性进行了分析。 3、研究在UVMS“目标接近”过程中，即在接近区域内利用从环境中观测到的多路标对载体进行定位的问题。本文主要采用了两种方法，一种是基于广义最小二乘（GLS）的定位方法，该方法针对多路标的异方差特性，对任意时刻的定位结果进行局部优化。另一种是基于相对地图滤波器（RMF）的定位方法，该方法首先构建独立于水下机器人位姿的状态不变量，并利用其构建滤波器的相对状态，然后将相对状态转化为绝对状态，并以此求得UVMS最终的定位结果。在构建相对状态向量及绝对状态向量时，两次应用卡尔曼滤波器，以实现定位结果的全局优化。 4、设计了UVMS自主运动控制器，并分析了其各自由度的性能，包括航向、深度、距离闭环正常响应，以及距离闭环抗扰动性能。利用自主运动产生的轨迹，比较了GLS和RMF两种方法的定位结果，并分析了两种方法的差异以及差异产生的原因。最后给出了一组目标保持与抓取作业的实验结果。 |
| 索取号 | TP241/G49/2010 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-07-27 |
| 分类号 | TP241 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/9291]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_水下机器人研究室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 公丕亮. 自主水下机器人-机械手系统作业区域视觉定位技术研究[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2010. |
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