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原文传递面向水下对接的UUV视觉引导控制研究

论文题名：	面向水下对接的UUV视觉引导控制研究
关键词：	水下无人航行器;视觉引导;姿态解算;跟踪控制;水下对接
摘要：	随着当下全球人口爆炸式增长，对地球资源的消耗越来越快，促使越来越多的人关注粮食安全和多样化问题，重点是如何在本国领土范围内进行更多资源的开发利用。作为海洋大国的中国，如何对海洋资源进一步开发利用成为了众多研究者关注的焦点。在海洋的开发探索过程中，以水下无人航行器(unmannedunderwatervehicle,UUV)为代表的水下无人设备的研发在过去几十年中一直是海洋工程的主要研究领域之一。它们被广泛地应用在海底基础设备检查、环境监测、海洋测绘等领域。然而，在水下作业过程中，水下无人航行器一次所携带的能源十分有限并且不能进行自我能源的补充。当面对大规模、大水域的水产养殖行业，因其水下环境复杂、控制要求较高、工作范围大、时间长久等特性水下无人航行器显得力不从心。因此，对UUV进行快速对接回收研究，将为之后在大水域水产养殖过程中部署充电站给UUV进行能量补充以及部署数据交互中心进行数据传输和任务下发提供技术支撑。　　基于上述背景，本文以一款全驱动水下机器人BlueROV2作为研究对象，开展了水下对接研究，以UUV能够在水下完成自主对接为研究目标，通过充分调研，提出了以视觉为基础的水下无人自主对接回收方案，并结合具体场景开展了多次水下对接试验，验证了设计的对接方案具有较高的可靠性和稳定性。为之后大水域水产养殖行业实现养殖过程的全方位监控而部署多个回收站进行水下对接回收提供了基础技术支撑。具体开展如下研究: 　　首先，针对水下视觉引导自主对接这一核心任务，开展了相关技术调研并分析了目前研究所面临的技术困难。此外，为了便于控制程序的开发，对BlueROV2水下机器人的硬件系统以及软件系统架构进行了详细地介绍。同时参考挪威学者Fossen的水下机器人理论模型和该款UUV的推进器布置形式进行了动力学、运动学建模以及推进器系统的数学建模。在上述基础之上通过对研究对象软件、硬件条件以及近年来水下对接相关技术进行综合分析之后，设计了采用视觉进行水下引导对接过程的整体流程，奠定了后文研究的整体方向。　　其次，针对水下视觉引导对接时面对的复杂水下场景和独有的环境特点，使用UUV自带的单目相机进行了大量的水下对接目标船坞数据的采集，并设计了基于YOLOV5s的水下对接目标实时检测方法;针对机器人配备的单目相机在对接使用过程中存在的畸变问题，文中通过Matlab软件对相机在水中的畸变以及相机内外参数进行了标定，在实现对接目标精准检测和得到相机内外参数的基础之上，确定了采用EPnP算法进行UUV和目标对接船坞之间的实时姿态解算，时刻得到水下机器人和对接船坞之间的位置偏差，后续便可采用跟踪控制算法实现UUV的跟踪控制，是完成对接任务的必要前提。　　接着，针对水下视觉引导对接时需要用到的轨迹跟踪控制问题，对比现有控制技术的优缺点，并结合解算的姿态信息以及LOS制导律、滑模控制算法、RBF神经网络万能逼近理论和李雅普诺夫稳定性理论等技术，设计了一种终端滑模轨迹跟踪控制算法对机器人进行跟踪控制。同时在Matlab软件中设计了不同的跟踪场景以及扰动类型，开展了相应的水平面跟踪控制以及三维空间跟踪控制的数值仿真，并对仿真结果进行了分析，表明设计的跟踪控制器具有稳定、精确的跟踪效果，同时在抗外界干扰方面也具有较强的鲁棒性。　　最后，将设计的视觉引导对接方案在BlueROV2上进行了实现。通过二次编程开发，将设计的目标检测、姿态解算以及跟踪控制算法集成到了岸基控制程序中。设计了相关试验方案并在船池中开展了试验，根据实际控制状况，对程序进一步的改进优化。经过多次试验的改进优化，最终达到了能够使水下机器人在视觉引导下以较为稳定、准确的运动状态完成水下对接和回收任务，回收成功率在90％以上，验证了本文所设计的视觉引导对接方案具有实际可操作性，为之后在大水域水产养殖过程中对接方案的研究设计提供了思路和方法，同时也为未来水下无人导航器更加安全、可靠、高效地完成大航程的水下作业任务提供了一定的技术参考。
作者：	卢有旺
专业：	机械
导师：	朱明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中农业大学
学位年度：	2023