“蛟龍”號潛水器控制系統的探索研究
http://www.debgrams.com 2014-02-27 11:15 來源：鳳凰網
水下機器人涉及結構機械、材料、流體、控制、能源、計算機、水聲等科學和技術的諸多領域。它既可用于海洋水文參數測量、礦產資源勘測、深海生物種群調查、深海基因獲取等海洋工程，也可用于隱蔽偵查、載荷投送、中繼通信等軍事應用，已經產生了巨大的經濟效益和社會效益，更具有潛在的應用前景。
其中水下機器人家族中的載人潛水器可運載科學家到達深海的海山、熱液、盆地和洋脊等復雜海底地形進行巡航、懸停、正確就位和定點坐坡作業，使得人類身臨其境探求深海奧秘的夢想得以實現，也使人類的智慧在深海作業中得到及時充分的發揮。因此，深海載人潛水器技術成為美、俄、法、日等世界各國投巨資爭相研究的熱點。
在深海載人潛水器控制系統研究中，兩個最基礎性的控制問題就是如何精確地知道潛水器當前的位置，第二個問題就是復雜海洋環境下控制參數如何自動調整。其中控制系統更是載人潛水器的核心技術之一。
一篇名為“載人潛水器‘蛟龍’號的控制系統研究”的研究論文近期發表于《科學通報》2013年第58卷的增刊Ⅱ，從“蛟龍”號控制系統的角度重點研究了其深海高精度導航、復雜海洋環境下的控制參數在線調整策略，而且還開發了載人艙內綜合信息顯控、水面監控、黑匣子數據分析和控制系統測試等平臺。成功完成了世界上首次在7000米深度近海底的自動定向、定深、定高、定速和懸停定位5種全自動航行控制功能。領導該研究團隊的是中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室王曉輝研究員，主要研究人員包括劉開周、祝普強、趙洋、崔勝國等。
與淺水區域導航不同之處主要在于，淺水區域可以獲得潛水器相對于海底的速度，而且可以按照一定周期/航程浮到水面進行校準，因此可以獲得較高的導航精度。深海區域的導航則需要處理聲學定位所固有的散點多，且觀測周期與控制周期非同步等問題。
該研究的創新之處在于提出了無色自適應卡爾曼濾波的深海高精度導航定位方法。同時為了克服“蛟龍”號參數時變、閉環系統各環節的不確定性問題,借鑒專家控制經驗,研究了基于模糊原理的控制參數在線自動調整的控制策略,以及基于數論的數值處理方法以獲得執行機構的控制量。“蛟龍”號于2009年8~10月、2010年5~7月、2011年7~8月和2012年6~7月分別完成1000,3000,5000和7000米級海上試驗，并于2013年成功完成首次實驗性應用，采集了豐富的海底樣品，發現了新的物種，并且經受住了5年70余次的下潛考驗。試驗結果表明，“蛟龍”號控制系統的功能完善、性能先進、運行穩定可靠，同時也標志著我國載人深潛技術和深海資源勘探能力達到國際先進水平。
(a)載人潛水器蛟龍號(b)蛟龍號艙內控制系統(c)綜合信息顯控(d)水面監控
該研究也對大深度有人/無人深海裝備的深海高精度導航、復雜環境下水下機器人的高精度控制等內容的深入研究具有極大的參考價值，此外，對于其他類型海洋工程裝備的研發也具有重要的借鑒意義。
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