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海洋石油平台关键技术-水下机器人

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海洋 石油 平台 关键技术 水下 机器人
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1海洋石油平台关键技术---智能水下机器人*** *** ***Key technology of offshore oil platform -- intelligent underwater robot【摘要】海洋是人类发展的四大战略空间陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间,是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地,是最现实、最有发展潜力的空间,对我国经济与社会发展产生着直接、巨大的支撑作用。其中,海洋石油平台占据着至关重要的地位。海洋石油平台中的技术智能化非常高,科技集成度相当高。而其中的水下机器人就是一个杰出的代表。而水下机器人在未来的发展方向必然是智能化,无人化。智能水下机器人作为一个复杂的系统,集成了人工智能、水下目标的探测和识别、数据融合、智能控制以及导航和通信各子系统,是一个可以在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人平台。本文概述性的对智能水下机器人的发展现状和前景进行描述。其中这些技术涉及:水下机器人载体设计技术、体系结构、基础运动控制技术、智能规划与决策技术、系统仿真技术、水下目标探测与识别技术、系统可靠性与容错技术等。目前我国甚至全世界范围内,水下机器人的技术仍然不够完善,距离成熟运用这项技术部还有很长的一段路要走。【关键词】水下机器人,人工智能,体系结构,智能控制,趋势。【Abstract】Ocean is human development of the four strategic space land, sea, air, sky relay land after the second largest space, is the strategic development base of biological resources, energy, water resources and metal resources, is the most practical, the most development potential of the space, has a tremendous support to China's economic and social development. Among them, the offshore oil platform occupies a vital position. The technology intelligence of offshore oil platform is very high, and the technology integration is quite high.. And the underwater robot is an outstanding representative. But the future development direction of the robot in the future must be intelligent and unmanned.. Intelligent underwater robot as a complex system, integrated with artificial intelligence, underwater target detection and identification, data fusion, intelligent control, navigation and communication sub 2system is one that can perform a variety of military and civilian missions unmanned platform in the complex ocean environment. This paper describes the status and Prospect of the development of intelligent underwater robot.. Among these technologies involve: underwater robot carrier design technology, system structure, basic motion control technology, intelligent planning and decision-making technology, the system simulation technology, underwater target detection and identification technology, system reliability and fault tolerance technology. At present, the technology of the underwater robot is still imperfect, and the technology is still a long way to go. 【Keywords】 underwater robot, artificial intelligence, architecture, intelligent control, trend.地球的表面积是 5.1 亿平方千米,而海洋的总面积是 3.6 亿平方千米。海洋是人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)中继陆地之后的第 2 大空间,是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地,是最现实、最有发展潜力的空间,对我国经济与社会发展产生着直接、巨大的支撑作用。特别是 21 世纪以来,陆地石油资源匮乏。作为人类探索和开发海洋的助手,水下机器人特别是智能水下机器人将在这一领域显示它们多方面的用途。1.智能水下机器人概述 智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上,在无人驾驶的情况下自主地完成复杂海洋环境中预定任务的机器人。依据俄罗斯科学家 B.C.亚斯特列鲍夫等人所著的《水下机器人》一书,第 3 代(智能)水下机器人是一种具有人工智能的系统,具有很高的自主能力、记忆能力和学习能力,自主适应外界环境的变化。操作人员只需下达使命给机器人,与战术甚至与战略有关的任务,都由水下机器人自主完成。 [4]2.水下机器人分类(1)有缆水下机器人,亦称作遥控水下机器人(remotely operated vehicle,简称 ROV),ROV 需要由电缆从母船接受动力,并且 ROV 不是完全自主的,它需要人为的干预,人们通过电缆对 ROV 进行遥控操作。(2)无缆水下机器人,常称作自治水下机器人或智能水下机器人(autonomous underwater vehicle,简称 AUV),AUV 自身拥有动力能源和智能控制系统,它能够依靠自身的智能控制系统进行决策与控制,完成人们赋予的工作使命。AUV 是新一代的水下机器人,由于其在经济和军事应用上的远大前景,愈多国家已经把智能水下机器人在研发上给予重视。 [6]33.智能水下机器人的体系结构研究体系结构的目的是不断改进和完善现有的体系结构,加强对未来的预报预测能力,使系统更具有前瞻性和自主学习能力,这与智能水下机器人的研究任务是一致的,也是提高智能水平(自主性和适应性)的关键技术之一。它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据(信息)与控制流、通讯和接口的协议规范,全局性信息资源的管理及总体调度机构。(如图 1 所示) [1]图 1. 符号推理和人工神经网络的结合方式Combining manner between denotation consequence and ANN水下机器人的运动具有明显的非线性与交叉耦合性。为了完成不同的任务,要求水下机器人在多个自由度上有较高的控制精度。所以,需要建立完善的集成运动控制系统,使之能够紧急避障(基于行为的反映)并与控制信息进行统一描述,同时将信息融合、故障诊断、容错控制策略集成。研究人员把注意力和精力放在神经网络和模糊逻辑控制技术上 [2]。神经网络控制的优点是充分考虑到了水下机器人的强非线性和各个自由度之间的耦合性,能够跟踪学习系统自身或外围环境的缓慢变化。智能水下机器人软件体系结构如图 2 所示 [3]。4.智能水下机器人相关技术(1)智能规划与决策技术针对海洋有流环境下机器人全局路径规划的特殊性,提出了 2 种解决该问题的路径规划新方法。一种是坐标系旋转法,这种方法的基本思想是将坐标系绕着 Z 轴旋转,直到 X 正半轴方向指向来流方向,在搜索过程中只要保证机器人的姿4态始终与 X 正半轴方向一致,就可以实现机器人艏向严格顶流的要求;另一种是基于栅格的位形空间激活值传播法。 [5]图 2.智能水下机器人软件体系结构图Software architecture of AUV(2)水下机器人系统仿真技术目前的仿真器能够很好的提供研究智能水下机器人的系统信息流和控制流、智能行为作业全过程(功能性)以及运动控制、目标的光视觉识别作业过程等分系统技术的开发平台,同时可以仿真不同海域的各种海况,模拟水下机器人可能出现的故障,可以进行机器人集成系统的可靠性考核。 [1](3)智能水下机器人可靠性技术智能水下机器人作为一个将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术的集成体,同时考虑到工作环境恶劣等因素,其可靠性技术显得尤为关键。实现机器人工作状态的自主故障诊断和容错控制作为该智能体智能行为的重要体现。 [7](4)水下目标的探测与识别技术由于海洋环境复杂,获取水下目标信息的手段十分有限,声探测距离远,所以仍是目前的主要手段,而对于依靠声图像的目标识别仍然有难度。根据水声专家的预测,依靠声反射特性可能是解决识别的正确途径。另外激光成像具有5微光成像的特点,距离又增加,是一种比较理想的手段,然而要满足对水下目标识别的要求,仍然有不少技术难关需攻克。 [1]4.智能水下机器人未来展望(1)海洋资源的研究和开发海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的要道,也是兵戎相见的战场。21 世纪人类将面临人口膨胀和生存空间有限的矛盾,陆地资源枯竭和社会生产需要增长的矛盾,以及生态环境恶化和人类发展的矛盾这三大挑战。占地球表面积71%的海洋,是一个富饶而远未得到开发的宝库。对人均资源占有率不高的我国来说,海洋开发更具有特殊意义。在海洋开发过程中,智能水下机器人将在海洋环境的探测与建模、海洋目标的水下探测与识别、定位与传输等方面的研究中发挥重要作用。(2)在未来无人战争中的作用作为无人武器系统重要组成部分的智能水下机器人能够以水面舰船或潜艇为基地,在数十或数百里的水下空间自主完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯,从而大大地扩展了水面舰船或潜艇的作战空间.。5.结束语随着科学技术的发展,国内外科技工作者的多年努力和勇敢探索,智能水下机器人技术已取得多项令人鼓舞的进展,使人们看到这一多学科相互融合的技术将有广泛的应用前景。但智能水下机器人总的技术水平仍处在研究、试验与开发阶段,要达到真正意义的实用,还有相当长的一段路要走。我国在智能水下机器人技术领域,基本上也处在这一水平上,但水下机器人所用的设备特别是各种专用的传感器设备与以美日为代表的发达国家还有差距。6.参考文献[1]徐玉如,庞永杰,甘 永,孙玉山,智能水下机器人技术展望。智能系统学报,2006,11(1);9-16[2]刘学敏,水下机器人运动控制系统的信息融合技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2001.[3]常文君,由光鑫,庞永杰,基于混合体系结构的多水下机器人协调控制体系[J]。中国海洋平台,2002(3):12-16 。[4]亚斯特列鲍夫 BC,等,水下机器人[M],北京,海洋出版社,1984[5]王醒策,张汝波,顾国昌,基于势场栅格法的机器人全局路径规划[J],哈尔滨工程大学学报,2003,24(2)170-174.[6]徐玉如,李彭超。水下机器人发展趋势。哈尔滨工程大学水下机器人技术国家重点实验室,黑龙江哈尔滨 1500016[7]王丽荣,水下机器人控制系统故障诊断研究[D],哈尔滨;哈尔滨工程大学,2006
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