基于图像数据融合的管线跟踪ROV导航控制研究

论文摘要

海底管道是海上油气田开发工程的重要组成部分。在长期的使用过程中，其材料因为海底移动、腐蚀、航运和捕捞等活动会产生各种性质和特点的缺陷，这些缺陷将可能严重影响海洋石油设施的安全及人员生命。按照现行的国内外海底管道系统规范要求和国际惯例，要对海底管道作定期检查(年度检查)和特别检查，以保证管道安全运行和延长使用期限。海底油气管线的检测大都采用内部检测及外部检测，而目前主要采用携带必要探测设备由训练有素的操作人员在水面控制的ROV来代替人工完成管道检测任务。本文的目的就是以执行海底油气管线检测的ROV为对象研究其顺利进行检测所不可或缺的控制问题。 文中首先对ROV的发展历史、ROV控制技术、数据融合技术及海底管线探测方法进行了详细的综述。在此基础上提出了满足海底管线检测功能要求的开架式的ROV结构方案，并分析了ROV各组成部分的功能。 建立了管线跟踪ROV的空间运动的四自由度运动模型和仿真模型； 提出了管线跟踪ROV基于调整因子的模糊自适应控制方法。在模糊控制的基础上分析了系统控制过程，从而提出了一种针对模糊推理CRI公式法中调整因子自寻优方法，从而达到使控制规则自调整与自适应的目的。 提出了一种管线跟踪ROV基于模糊逻辑的直接自适应控制器。根据万能逼近原理，可以利用模糊基函数逼近任意连续函数，设计一种模糊自适应控制器，利用模糊基函数网络逼近理想控制输出，通过调整自适应律来达到自适应的目的。对ROV基于调整因子的模糊自适应控制器，分别进行了仿真环境和水池试验，而对基于模糊逻辑的直接自适应控制器在仿真平台及外场进行了试验验证，并给出了实验结果并对结果进行了分析。无论从仿真试验还是外场试验的效果来看，这两种控制器都具有一定的自调节与自适应能力。 对ROV携带的三种传感器数据进行了基于一致性的数据融合，提高了检测系统的定位可靠性，并对实验室中的部分图像数据进行了数据处理，提出了可行的方位估计算法。

论文目录

• 摘要
• Abstfact
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ROV技术发展综述
• 1.2.1 ROV研究简史
• 1.2.2 ROV分类
• 1.2.3 ROV控制技术进展
• 1.3 海底石油管线检测技术综述
• 1.3.1 海底石油管线内部检测技术综述
• 1.3.2 海底石油管线外部检测技术综述
• 1.4 数据融合技术综述
• 1.4.1 数据融合技术的研究历史
• 1.4.2 数据融合的基本原理
• 1.4.3 数据融合的一般方法
• 1.4.4 数据融合技术在机器人方面的应用
• 1.5 论文的背景
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第2章 管线跟踪 ROV数据融合及实时图像处理
• 2.1 管线跟踪 ROV的数据融合
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 一致性数据融合方法概述
• 2.1.3 决策距离测量的概念
• 2.1.4 数据融合
• 2.1.5 实验
• 2.2 管线图像实时处理
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 管线图像处理
• 2.3 本章小结
• 第3章 管线跟踪 ROV运动模型
• 3.1 引言
• 3.2 运动坐标系的选取及机器人运动参数
• 3.3 运动方程的建立
• 3.3.1 理想模型的建立
• 3.3.2 考虑海流影响时的模型
• 3.3.3 考虑粘性水动力的运动方程
• 3.3.4 重力与浮力
• 3.3.5 推进器产生的推力及建模
• 3.4 ROV动力学模型建立
• 3.5 本章小结
• 第4章 管线跟踪 ROV模糊控制研究
• 4.1 模糊控制及模糊自适应控制理论基础
• 4.1.1 弓}言
• 4.1.2 模糊理论及模糊控制
• 4.1.3 模糊自适应控制策略
• 4.2 管线跟踪 ROV模糊自适应控制器的设计
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 管线跟踪 ROV模糊自适应控制系统的结构
• 4.2.3 基于调整因子自寻优的模糊控制器
• 4.2.4 基于调整因子自寻优的模糊自适应控制器
• 4.3 基于模糊逻辑的直接自适应控制器的设计
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 基于模糊逻辑的直接自适应控制器
• 4.3.3 基于模糊逻辑的直接自适应在水下机器人中的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 管线跟踪 ROV平台及控制器仿真和实验
• 5.1 管线跟踪 ROV系统分析
• 5.1.1 系统组成及主要技术指标
• 5.1.2 各部分功能
• 5.2 仿真及实验研究
• 5.2.1 基于调整因子自寻优的模糊自适应控制器的仿真及水池实验
• 5.3.2 仿真与湖试结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及科研成果
• 致谢
• 个人简历