基于视觉的小型水下航行器的控制系统设计

摘要

水下机器人是复杂海洋环境工作中的重要运载工具，随着世界各国对海洋资源开发的日益重视，水下机器人在海洋矿产勘探、海底地形探测和深海基础设施检查等的应用需求越来越大。而水下光视觉可以在水下机器人近距离观测作业中提供更丰富的高分辨率信息，受到国内外学者的广泛关注。因此开展基于视觉的小型水下航行器控制系统研究，对于提高水下机器人自主能力及智能化水平，具有重要地理论研究意义和实际应用价值。
　　在对水下航行器的光视觉目标检测方法研究中。首先，针对水下图像降质问题，建立水下光传播的衰减模型和水下成像系统模型，通过水介质中光的衰减对颜色进行恢复的算法来复原图像完成预处理工作;然后，采用基于HSV的自适应彩色图像分割方法来对水下目标物体进行分割，并通过区域几何形状特征参数约束提取方法，最终实现对运动目标区域的提取。最后，对动目标跟踪方法的研究中，采用基于Kalman预测器结合动态检测窗口的目标跟踪算法，通过提取图像中目标质心位置信息来实时对预测结果进行更新校正，并进行了水下航行器动目标跟踪实验研究，以验证所用的目标跟踪方法的实时性和有效性。
　　在水下航行器光视觉目标识别跟踪系统的基础上，对其控制系统进行研究和设计，首先，对控制系统的总体结构及其通信总线进行了设计;然后，分别详细设计了分布式系统的各个子系统，包括主控计算机系统、通信系统、推进器控制系统、电源管理与安全系统和传感器信息采集系统;并对控制系统的软件结构进行了设计，最终形成了由软硬件系统组成的基于视觉的分布式控制系统。
　　在基于视觉的控制系统基础上，为了实现水下航行器的自主目标跟踪功能，对其运动控制系统进行了仿真研究。首先，本文对所设计的小型水下航行器的艇体结构及各传感器分布进行介绍;然后，对所研究的水下航行器的六自由度运动模型进行了分析，并解耦升沉和航向的动力学方程表达式;最后对解耦的航向子系统与升沉子系统的控制进行了设计与仿真，为后文的水下目标识别跟踪控制实验做了理论上的铺垫工作。
　　最后，对该小型水下航行器进行了大量的水池实验，包括传感器滤波实验，深度、航向控制实验，结合本文研究的基于光视觉的目标识别跟踪系统设计了自主水下目标跟踪撞球实验，验证本文所设计的基于视觉的控制系统的实时性和稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究的背景、目的与意义

1．2 水下机器人控制系统的研究现状

1．2．1 水下机器人的国内外研究状况

1．2．2 水下机器人的光视觉检测方法研究状况

1．2．3 水下机器人的控制系统研究状况

1．3 论文的主要研究内容和结构安排

第2章 水下航行器光视觉目标识别与跟踪系统研究

2．1 水下图像的预处理

2．1．1 水下图像降质原因分析

2．1．2 水下光传播的衰减模型

2．1．3 Jaffe-McGlamery水下成像模型

2．1．4 水下图像的恢复

2．1．5 实验结果及分析

2．2 水下图像的目标分割与提取研究

2．2．1 常用彩色模型分析

2．2．2 基于HSV的自适应彩色图像分割

2．2．3 目标区域的提取

2．2．4 实验结果及分析

2．3 水下动目标跟踪方法研究

2．3．1 基于Kalman预测器的水下目标跟踪

2．3．2 动态检测窗口的建立

2．3．3 实验结果及分析

2．4 本章小结

第3章 水下航行器的控制系统设计与实现

3．1 水下航行器控制系统总体结构

3．1．1 控制系统的通信总线

3．2 水下航行器各个子系统的设计与实现

3．2．1 主控计算机系统

3．2．2 通信系统的设计与实现

3．2．3 推进控制系统的设计与实现

3．2．4 电源管理与安全系统

3．2．5 传感器信息采集系统

3．3 水下航行器控制系统软件结构设计

3．3．1 CAN总线通信软件设计

3．3．2 主控计算机的软件设计

3．4 本章小结

第4章 水下航行器艇体结构与运动控制仿真

4．1 艇体结构与各机构分布

4．2 水下航行器的动力学模型分析

4．2．1 坐标系建立

4．2．2 空间六自由度运动方程建立

4．3 水下航行器运动控制设计与仿真

4．3．1 PID控制器设计

4．3．2 鲁棒反步控制器设计

4．3．3 水下航行器运动控制仿真

4．4 本章小结

第5章 水下航行器水池实验结果与分析

5．1 水下航行器水池试验环境简介

5．2 传感器滤波实验

5．2．1 深度测量滤波实验

5．3 水下航行器的深度、航向控制实验

5．3．1 自动定深控制实验

5．3．2 自动定航控制实验

5．4 水下航行器的目标跟踪撞球实验

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢