自主水下机器人海底热液喷口自主探测研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
41106085
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
27.0万
负责人：
田宇
依托单位：
中国科学院沈阳自动化研究所
学科分类：
D0608.海洋物理与观测探测技术
结题年份：
2014
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2014-12-31

项目参与者：
李伟；衣瑞文；朱心科；李为；全伟才；
关键词：
自主探测热液浮力羽流自主水下机器人海底热液喷口

项目摘要

针对自主水下机器人（AUV）在海底热液活动调查研究中的应用需求，开展AUV基于探测的浮力羽流信息在线决策、规划，自主探测海底热液喷口研究。主要研究AUV自主探测海底热液喷口仿真环境、自主探测浮力羽流方法和算法、和自主探测海底热液喷口的控制策略和自主行为三方面内容；研究并解决其涉及的：热液浮力羽流仿真方法、算法和参数设置；AUV自主探测浮力羽流横剖面的方法和算法的设计、优化；和AUV自主探测热液喷口最优控制策略和自主行为的设计、优化和验证三个关键问题，并通过AUV仿真平台和外场实验对研究成果进行演示和验证；以期通过本项目的研究，获得AUV自主定位海底热液喷口并对其进行声学、视像观测，和最优采集其浮力羽流和附近标量场时空分布数据的方法、算法，以及AUV自主定位和观测海底热液喷口的最优探测作业方案及相应的AUV控制策略，为将来我国AUV自主探测海底热液喷口的实际应用提供必要的理论基础和技术储备。

结项摘要

本项目重点针对自主水下机器人（AUV）基于探测传感器信息，自主进行深海热液羽流和海底热液喷口探测的基于行为规划策略开展应用基础研究，已按照研究计划完成了全部研究内容，主要成果如下：.（1）研发了AUV自主探测海底热液喷口计算机仿真环境，其中包括AUV动力学仿真、喷口附近标量场仿真、AUV控制系统仿真、热液羽流和时变空变海洋流场仿真等模块。仿真环境重点研究了一种基于拉格朗日粒子随机行走方法的热液羽流仿真模型，基于该模型实现的仿真热液羽流体现了热液非浮力和浮力羽流的特点、以及AUV追踪、测绘热液羽流以及探测热液喷口问题的复杂性因素。研发的仿真环境为AUV自主探测深海热液羽流和海底热液喷口的策略和自主行为研究提供了有力支持。.（2）针对AUV自主定位和探测热液喷口以及采集热液浮力羽流分布数据的应用需求，研究了AUV自主追踪以及自主测绘热液浮力羽流的策略、自主行为及算法实现。基于仿生化学羽流追踪策略，设计了AUV在三维空间中追踪浮力羽流的“之”字形下降策略和垂直下降策略，设计了实现相应策略的自主行为；并利用发明问题解决理论，对垂直下降策略进行了改进，获得了更好的性能。设计了AUV自主测绘浮力羽流水平横截面的策略，以实现对浮力羽流水平横截面数据的高效采集。对设计的策略和行为进行了算法实现，并通过仿真环境对其有效性进行了验证。利用设计的追踪和测绘策略及行为，AUV可以实现对热液浮力羽流的有效追踪和对热液浮力羽流水平和垂直分布数据的高效采集。.（3）研究了AUV自主探测海底热液喷口的基于行为的规划策略及自主行为，重点针对AUV基于热液羽流追踪进而寻找、定位和探测热液喷口的策略进行了研究。设计了二种AUV自主追踪热液非浮力羽流的策略以及实现相应策略的自主行为，设计了AUV自主测绘热液非浮力羽流的策略和行为，并研究了AUV基于喷口周围温度等标量场信息估计热液喷口位置的方法。对设计的策略和算法进行了软件实现，并通过计算机仿真对其有效性进行了验证。此外，还在沈阳棋盘山水库对设计的AUV实现热液羽流和喷口探测的控制、制导以及非浮力羽流追踪行为进行了实验验证。.研究成果为AUV自主探测深海热液羽流和海底热液喷口提供了一种有效的解决方法，为我国AUV将来在深海热液羽流和热液喷口探测中的实际应用奠定了重要的理论基础和技术储备。