水下机械手信息融合及作业规划研究

华中科技大学硕士学位论文水下机械手信息融合及作业规划研究姓名：薛利梅申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：徐筱龙;徐国华2011-01-12华中科技大学硕士学位论文I摘要人类正面临着三大难题：人口、资源和环境，随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，陆地上的资源枯竭问题日益严重。为了生存和发展，人类开始向覆盖了地球表面积71%的海洋进军。海洋蕴藏着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源。使用水下机器人和作业机械手代替人类去观测海洋、调查海底地质和采掘资源，已成为海洋开发的重要手段。装配作业机械手的水下智能机器人将在各种非军事应用诸如海洋科学、油气探测、水下考察、钻井及采矿支持、管道维护、水下电缆铺设及军事应用中发挥重要的作用。水下机械手是水下机器人的重要组成部分，一个国家的海洋高科技发展水平在很大程度上由具有作业能力的水下机器人技术决定。本文结合国防基础科研项目“微小型作业工具”的“微小型机器人”研究专题，对水下机械手信息融合及作业规划开展了一系列的研究设计工作，但很多技术还有待完善。论文共分为六章：第一章介绍了本论文的研究背景和意义，国内外研究现状并引出了本论文的主要研究内容；第二章介绍了水下机械手的组成，概述了水下机械手控制系统的硬件体系结构和软件体系结构；第三章针对水下机械手的多传感器信息融合进行了研究，包括对接近觉传感器信息的处理、视觉传感器信息的处理，并对目标物体的坐标转换问题进行了详细分析。昀后，设计了基于视觉、接近觉的信息融合的具体方案；第四章为水下机械手的作业规划研究，设计了机械手的两种控制方式，并具体分析了机械手各种遥控方式下的作业规划方案；第五章对水下机械手整体系统做了一系列的相关试验；第六章为对本论文进行的总结和展望。关键词：水下机械手信息融合目标识别作业规划华中科技大学硕士学位论文IIAbstractMankindisfacedwiththreeproblems:population,resourcesandenvironment.Withtherapiddevelopmentofnationaleconomiesandtheworld'spopulationcontinuestoincrease,depletionoflandresourcesisbecomingincreasinglyserious.Tosurviveandprosper,humansbegantocover71%oftheearth'ssurfaceintotheocean.Oceanisrichinmineralresources,marinebiologicalresourcesandenergy.Usingunderwaterrobotsandroboticoperationstoreplacethehumanobserveroceanseabedgeologicalsurveyandminingresources,hasbecomeanimportantmeansofoceandevelopment.AutonomousunderwatervehicleassembledwithUnderwaterManipulatorwillplayanimportantroleinavarietyofnon-militaryapplicationssuchasmarinescience,oilandgasexploration,underwaterinspection,drillingandminingsupport,pipelinemaintenanceandunderwatercablelaying,andmilitaryapplications.UnderwaterManipulatorisanimportantpartoftheunderwaterrobot.Thetechnologyoftheunderwaterrobotwithoperationalcapacityistoalargeextentmarkedthelevelofdevelopmentofmarinehigh-techofacountry.The“Micro-UnderwaterWorkTool”projectwasfundedbythecommissionofScienceTechnology&IndustryforNationalDefense.Thispapercarriedoutaseriesofresearchanddesignworkbasedonit.Buttherestillareafewproblemsunresolved,andmanytechnologiesshouldbeimproved.Thethesiscontainssixchapterswiththeircontentsasfollow:ChapterOneintroducesthebackgroundandsignificanceoftheresearchpaper,researchstatus,andleadstothemaincontentsofthispaper;ChapterTwodescribesthecompositionoftheunderwatermanipulator,andoverviewsthecontrolsystemoftheunderwatermanipulatorincludehardwarearchitectureandsoftwarearchitecture;ChapterThreestudiesmulti-sensordatafusionoftheunderwatermanipulator,includingtheproximatesensorinformationprocessing,visualsensorinformationprocessing.Thetargetobject'scoordinate华中科技大学硕士学位论文IIIconversionisissuedindetail.Finally,thedesignoftheinformationfusionofspecificprogramsbasedonvisionandproximatesensorisdesigned;ChapterFouristheresearchoftheoperationplanning,designstwomanipulatorcontrols,andvariousremotemanipulatoroperationsplanningisdetailedanalyzed.ChapterFivepresentsawholeseriesofrelatedtestsonthemanipulatorsystem;ChapterSixisasummaryofthepaperandprospectofthetechnology.KeyWords:UnderwaterManipulator;InformationFusion;targetrecognition;OperationPlanning.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题的研究意义人口、资源和环境成为当今人类面临的三大难题。各国经济飞速发展、世界人口不断增加，人类消耗自然资源越来越多，陆地上资源正在日益减少，各种因素都使得人类为了生存和发展向海洋开发进军。海洋面积占地球表面积的三分之二还要多，在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。甚至在6000米以下的大洋底部仍存在生命，并且在大洋底部还沉积着极为丰富的多金属结核，其中铜、锰、镍、钴含量昀高。海洋还是一个无比巨大的能源库，天然气水合物总量是陆地燃料资源总量的2倍以上。不但如此，海底还储存着将近140万亿立方米天然气以及1350亿吨石油。因此，和太空探测类似，海底的探测同样具有极强的吸引力及挑战性[1][2]。海洋开发已被中国政府作为21世纪的国民经济与社会发展战略重点之一。中国早在1991年就被联合国批准为第五个深海采矿先驱投资者，承担30万平方公里洋底的探测任务，并昀终拥有对矿产资源昀丰富的7.5万平方公里海域的优先开采权[3]。水下机器人对我国海洋经济、海洋产业、海洋开发以及海洋高科技具有重要意义。近年来，随着海洋事业的迅速发展，水下机器人得到了非常广泛的应用。但是，水下机器人本身仅仅是一种运载工具，必须携带水下作业工具才能进行水下作业。因此，可以说水下作业系统是水下机器人工作系统的核心。特别是近些年来，军事用途和海洋开发，进一步促进了作业系统的发展[4]。水下机器人及其作业机械手在世界很多国家已被广泛使用，无论在军事还是民用方面都都体现了其实用性和重要性。其主要功能包括：1)海洋救助和打捞；2)海中闸门的开闭，螺栓的拆装及阀门的开闭等；3)水下设施打磨、切割，构件或船体表面的清洗；4)军事上可用于海底搜索和侦察；华中科技大学硕士学位论文25)海洋科学研究中可以用于对海底的探测及对标本的采样[5]。水下机器人需要配备传感器，传感器的作用类似于人的感知器官，用以获得所在环境的各种信息。由于单一的传感器获得的信息非常有限，而且还受到自身品质和性能的影响，因此水下机器人通常需要配备数量众多的不同类型的传感器，来满足探测和数据采集的需要。通过多传感器信息融合技术，将各传感器提供的信息加以综合，消除信息之间存在的冗余和矛盾，利用信息互补并降低不确定性，从而形成对系统环境相对完整一致的感知描述，以提高水下机器人智能系统对策、规划的科学性、反应的快速性和正确性。多传感器信息融合技术已成为水下机器人研究领域的关键技术之一[6][7]。由于水下机械手结构的特殊性，水下作业环境的复杂性以及抓取目标的多样性，对水下机械手的作业规划和控制的研究具有重要意义。基于有效的传感器技术以及智能控制技术研究反应灵活，定位准确的水下机械手是海下作业领域发展的必然趋势。装备了此种机械手且具有自主作业功能的微小型水下机器人在民用、军事、科学研究等多个方面发挥很大作用。此技术的实现将使我国海洋国防、海洋科学及海洋开发装备的技术水平得到很大的提高[8]。1.2课题背景及课题来源本论文是在“十一五”国防基础科研项目“微小型作业工具”的“微小型机器人”专题下进行的。课题所研究的主要内容，多传感器信息融合技术及水下机械手作业规划技术是专题关键技术，为整个项目的进展奠定了良好的基础，MUWT系统针对一结构化样品目标或杆件，基于视觉信息及接近觉获得作业环境与目标的模型，完成水下自主采样作业或抓握固定作业。在高科技技术项目背景下的研究使自己得到很好的锻炼，不但提高了自身的研究水平和科研能力，也将所学的理论知识直接运用到了国家重点项目中去，使我更深刻地体会了理论结合实际的重要性。1.3水下机器人及机械手的国内外研究现状海洋潜水器技术已随着科学技术的迅速发展进入到了无人无缆的自主（自治）式潜水器（AUV）时代[9][10]。目前，为了实现自主导航、自主避障及自主作业等职能行华中科技大学硕士学位论文3为，人工智能技术、图像处理技术、