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面向水下复杂动态环境感知与自主作业的浮游机器人关键技术与应用
面向水下复杂动态环境感知与自主作业的浮游机器人关键技术与应用
| 成果信息 |
| 项目年度编号： |
2000200571 |
| 限制使用： |
国内 |
| 省市： |
上海 |
| 中图分类号： |
TP242 |
| 成果类别： |
应用技术 |
| 成果公布年份： |
2020 |
| 关键词： |
浮游机器人
水下航行器
海洋资源探查
|
| 成果简介： |
该项目属于机器人运动与控制领域，由于其水下浮游机器人的属性，也属于船舶和水下航行器领域，同时在自主作业层面，涉及机器人的抓取及操作。技术上，该项目涉及机器人技术、海洋工程装备设计及其制造技术，同时在核心技术上还包括智能装备的驱动控制技术。党的十八大报告指出，“要提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。”水下机器人技术作为船舶与海洋工程和机器人技术的交叉学科，不仅可以在人类无法到达的危险区域进行科学考察和资源勘探，近年来还被广泛应用于水产养殖、河道疏浚、及排险救灾等，得到广泛关注。相比简单的水下航行器，浮游式水下机器人配合机械手这一整体系统在海洋资源探查，水产养殖和监管，环境感知和保护，地震监测，地质构造模型建立，深海援潜救生和水中对接等方面具有不可替代的巨大作用，同时也具有十分重要的科学研究价值。在国家自然基金、上海市科委基础重点项目等相关科研项目的支持下，开展了水下浮游机器人复杂动态环境感知、自主作业等关键技术的研究，并自主研发了高效浮游“水下机器人-机械手一体系统(UVMS)”，以示范应用辐射带动技术成果转化与全局性推广，为上海及全国近海水产养殖业的转型发展和近海水环境保护提供了重要技术支撑。
其关键创新点如下：
1、针对水中环境感知存在的图像抖动和模糊特性，改进并建立了基于边缘检测的相关算法，采用多个像素块范数值比对代替两个像素点灰度值比对建立二进制描述符，提高了描述子鲁棒性；引入种子点强度排序和搜索窗口优化，改进了区域生长算法生成稠密视差图，提高了水下目标的立体视觉匹配与三维深度测量的速度及准确性。
2、针对水下恢复力矩、手艇耦合作用力、水中附加质量力以及粘性力等特性，建立了水下机器人-机械手系统的动力学模型，为系统扰动抑制和协调自主作业提供了完整、可靠的模型与控制手段。
3、基于非线性扰动观测器和新型趋近律的抖振抑制滑模控制律有效地提高了水下机器人-机械手系统自主作业控制的鲁棒性，减少了外界环境的干扰影响和系统不确定性，减小了系统抖振，实现了UVMS多自由度水下自主作业的控制。
4、对于经济类水产，如海参、鲍鱼等的监测和捕捞，该项目的UVMS系统利用视觉柔性感知，基于光视觉和高频声图像的目标生物检测、识别与跟踪技术，利用UVMS系统无惊扰抓取和柔性目标的无损抓取方法，实现目标水产品的无损抓取，低成本实现近海自然养殖生物的高效、快速机器捕捞，提供人们具有高质量蛋白质的水产品，推动中国水下机器人自主环境感知与作业取得突破。
该项目获授权发明专利15件、软件著作权3件，发表高水平论文28篇。近年来，项目技术成果推广至多家应用单位，在较大范围内颠覆了传统人工水下作业模式，极大地提高了工作效率和可靠性。推广至今，该项目总节约人力成本达5000余万元人民币，直接经济效益7505.45万元(按近三年为5455.45万元)，并正在以较快的步伐深入相关水下应用领域，产生可观的经济效益和社会效益。 |
| 申报信息 |
| 推荐部门： |
上海市教育委员会 |
| 登记号： |
202010055128 |
| 计划名称： |
国家自然科学基金;上海市科委基础重点项目 |
| 相关人信息 |
| 完成单位： |
同济大学 哈尔滨工程大学 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所 黑龙江水运规划设计院 山东太阳岛船舶科技有限公司 |
| 完成人： |
汤奇荣 黄海 张剑 江涛 张国成 李英浩 郭瑞琴 洪扬 |
| 行业及专利信息 |
| 应用行业名称： |
环保、社会公共安全及其他专用设备制造 |
| 应用行业码： |
369 |
| 转让信息 |
| 投资信息 |
| 推广信息 |
| 联系信息 |
| 联系单位名称： |
同济大学 |
| 联系单位地址： |
上海市四平路1239号 |
| 邮政编码： |
200092 |
