华中科技大学硕士学位论文智能水下机器人（AUV）自救模糊专家系统仿真研究姓名：段国强申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：徐国华20050504摘摘 要要 当今 水下机器人得到了越来越广泛的应用 在军事 海洋资源的开发中发挥 着重要的作用水下机器人的研制费用昂贵开发周期长同时 由于其在水下工作 很容易发生意外而丢失 给水下机器人配置监控装置及出现故障时的自救系统是十分必要的 因此 对水下机器人自救系统的研制和开发成为目前国内外水下机器人的研究重点本文结合总装备部 十五 重点预研项目 军用水下智能机器人技术水下自动布放系统与智水详细的论述及研究IV 自救系统 实验室仿真系统的开发 在以下几个方面做了1介绍了人工智能 模糊推理和专家系统的理论知识 应用 Matlab 提供的模糊逻辑工具箱建立了各个变量的模糊隶属函数 选择模糊算子建立推理机 根据专家知识建立规则库 2介绍了 3DMAX5．０ 并应用 3DMAX5．０ 建立了水下机器人主体 螺旋桨 信标配重和电池舱的三维模型345介绍了 ＯｐｅｎＧＬ 图形软件并应用 ＯｐｅｎＧＬ 图形软件 实现了对三维模型 ３ＤＳ 文件的读取和绘制应用 ＶＣ＋＋６．０ 开发了专家系统的图形界面 在图形界面中可以实现手动输入数据和串口接收数据来进行决策 然后根据决策结果 动画仿真水下机器人的自救过程和水下机器人所处的状态对水下机器人在各种决策结果下的运动进行了分析和简化计算 为水下机器人自救过程的运动仿真提供了参考本课题研究的智能水下机器人模糊专家系统对水下机器人的自救进行了理论上的摸索 对今后水下机器人自救系统的研究具有参考价值 由于水下机器人的自救系统的研究和开发在国内外都处于预研阶段 因此本专家系统还需做进一步的改进和完善关键词关键词才能为水下机器人自救系统的研究开发提供有力的支持和参考人工智能 专家系统 模糊推理 水下机器人IＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔ Nowadays,the Underwater Vehicles(UVs) are widely used and play great role in military affairs and exploitation of the ocean resource. But the expense of UVsdevelopment is very high and the development period is very long.At the same time,asUVs work under the water,they are subject to lose for accident. Therefore,it’s necessaryto supply monitoring apparatus online and self-rescue equipment in case of accident forUVs.At the present time, the research and development of UVs self-rescue system is hotin the world.This paper is based on the development of the laboratory simulation system, whichis one of the important advanced researches of Department of Military Equipments in thetenth “Five-year Plan”. This system simulates UVs’ auto- laying and self-rescue. Someaspects are discussed and researched in detail in this paper:12345The theories of Artificial Intelligence (AI), Fuzzy Inference (FI) and ExpertSystem (ES) are introduced firstly in the paper. By the Fuzzy Logic tools suppliedby Matlab, fuzzy member functions of the variables are built, fuzzy factors areselected to build the fuzzy inference mechanism and rules of expert knowledgeare set up.3DMAX5.0 is introduced in the paper. At the same time, UVs’ main body, thescrew, the beaconing, the balance weight and the battery cabin are drawn by3DMAX5.0.OpenGL graphic software is introduced. The 3DS files of the three-dimensionalmodel are read and drawn by OpenGL graphic software.The graphic interface of the ES is developed by ＶＣ＋＋６．０. After inputting the databy manual at the graphic interface or getting data from the serial port, the ESbegins to work. According to the decision result, the animation of UVs’self-rescue process and UVs’ condition are simulated.According to the different decision result, UVs’ movement is analyzed andcalculated. It gives reference for emulating the process of the UV’s movement.The intelligent fuzzy expert system of UVs discussed in this paper will be in favorof the theory research of UVs’ self-rescue. Because the research and development of theUV’s self-rescue is in the initial step at home and abroad, this ES needs to be furtherimproved and only by this, it can provide valuable reference to the research of UV’sIIself-rescue.Key Words: Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＵｎｄｅｒｗａｔｅｒ ＶｅｈｉｃｌｅｓIIIＥｘｐｅｒｔ ＳｙｓｔｅｍＦｕｚｚｙ Ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ１１ 绪绪 论论 １１ ．． １１ 智能水下机器人自救概况智能水下机器人自救概况 机器人技术是集运动学与动力学理论 机械设计与制造技术 计算机硬件与软件技术控制理论电动伺服随动技术传感器技术 人工智能理论等科学技术为一体的综合技术它的研究与开发标志着一个国家科学技术的发展水平，而其在各种领域的普及应用，则显示了这个国家的经济和科技发展的实力世界上许多国家为了推进本国的机器人开发事业，打入竞争日益激烈的国际高科技市场，不惜投入巨大的人力财力来推动机器人技术的发展，开发出了许多类型的机器人机器人的应用领域也逐渐从人工环境扩展到了水下和宇宙 随着人口数量的增长和科学技术水平的不断提高，人类已把海洋作为生存和发展的新领域海洋的开发与利用将使水下机器人具有更加广阔的应用前景 水下机器人设计是一项综合性的复杂工程，技术密集度高，是公认的高科技，它的研制水平体现了一个国家的综合技术力量[1][2]水下机器人分为有人水下机器人和无人水下机器人两大类 其中有人水下机器人机动灵活便于处理复杂的问题但人的生命可能会有危险而且价格昂贵 例如 阿尔文号 的造价就达 １ 亿美元 一天的租费为 ２．５ 万－３ 万美元 无人水下机器人一般可以分为两大类：一类是有缆水下机器人，习惯称为遥控潜水器（Ｒｅｍｏｔｅ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ，简称 ＲＯＶ）另一类是无缆水下机器人，习惯称为自治潜水器（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ，简称 ＡＵＶ）又称为自主式水下机器人[3]此外，按使用目的分类，有水下调查机器人（观测测量试验材料收集等）和水下作业机器人（水下焊接管道安装水下建筑水下切割等作业）按活动场所分类，有海底机器人和水中机器人水下机器人在 ２０ 世纪 ５０ 年代初诞生时，由于所涉及的新技术还不够成熟，电子设备的故障率高，通信的匹配以及起吊回收等问题没有很好解决，因此发展不快，没有受到人们的重视 到了 ６０ 年代，国际上开始两大开发技术，即宇宙和海洋开发，促使远距离操纵型机器人得到了很快的发展 在最近的 ２０ 多年内，由于海洋开发与军事上的需要，尤其是水下机器人本体所需的各种材料及技术已得到了较好的解决， ＲＯＶ 得到了很大发展，开发出了一批能工作在各种不同深度，进行多种作业的机器人，可用于石油开采海底矿藏调查 救捞作业管道敷设和检查电缆敷设和检查海上养殖江河水库的大坝检查及军事等领域但是 ＡＵＶ1的应用目前还是很有限 虽然法国人和俄罗斯人分别使用 ＥＰＡＵＬＡＲＤ 和 ＭＴ８８ 预编程水下机器人作过一些出色的工作 但总的来说 ＡＵＶ 的应用时代尚未到来 目前妨碍 ＡＵＶ 大量应用的主要原因是其风险大功能差ＡＵＶ 一旦发生故障极易丢失从而造成重大的经济损失据不完全统计早期的 ＡＵＶ 的失事率约 １５到１８但是从 ９０ 年代开始 ＡＵＶ 的研究工作已不仅只限于大学和科研机构 工业界也开始介入相信随着开发海洋的需要及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到更大的发展 水下机器人的深海作业环境是非常恶劣的 时常面临着各种各样的危险 研制一台机器人需要大量的人力物力资源 而且每次实验或作业所获得的资料或数据具有极大价值 对于载人机器人还有生命保护任务 如果因故障造成机器人失事沉入海底将会造成极大损失对海洋开发和研究是一个沉重的打击因此 机器人的自救系统也成为机器人的关键设备之一[4] 前苏联及美国的自救技术起步较早 而且已经实用 国内 １０００ 米探索者号水下机器人６０００ 米水下机器人上的自救系统采用的是俄罗斯系统上海交大曾经在 ８６３ 项目资助下 研制了一个实验室系统 但没见应用报道 总装备部下达的军用智能机器人 的研究项目 在 八五 及 九五 研制中 均没装自救系统这使它的试验深度受到了很大限制 十五期间已立项研制并准备装备一套自救系统 这套系统传感器配置不多 智能程度不高 由人工通过独立的水声或光纤通信系统下达抛载命令 其深度达到 ３００ 米 同时建立一个研究平台 为 十一 五研制智能自救系统奠定基础[5] [6] 据有关资料估计 在民用需求方面 2010 年 我国在水下探测 监视和工程作业等方面将需要近百艘水下机器人到 2030 年将需要近千艘水下作业机器人2030 年以后 水下作业机器人的需求量将以每年 10%的速度递增 从而形成一个具有相当规模的产业 在军用需求方面 2020 年左右 将会有成建制的智能机器人装备海军。