基于水下機(jī)器人的熱液羽狀流自主搜尋定位方法研究.pdf

1、海底熱液活動(dòng)的發(fā)現(xiàn)是海洋科學(xué)和地球科學(xué)研究中的重大事件。海底熱液噴口不僅為人類提供了易開(kāi)發(fā)的豐富的熱液硫化物礦產(chǎn)資源，熱液噴口區(qū)周圍形成的獨(dú)特的極端環(huán)境熱液生態(tài)系統(tǒng)還為探索生命起源的研究提出了新的理論。傳統(tǒng)的熱液探測(cè)工作主要包括利用走航式拖曳系統(tǒng)和利用載人潛水器(HOV)與調(diào)查船向結(jié)合的方式深入大洋中脊進(jìn)行探測(cè)。隨著科技的不斷發(fā)展，相比傳統(tǒng)的探測(cè)方式，智能水下機(jī)器人(AUV)在自主探測(cè)方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，利用智能水下機(jī)器人進(jìn)行熱液噴口調(diào)

2、查將成為該領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。制定高效精確的機(jī)器人搜尋方案是基于水下機(jī)器人的海底熱液噴口探測(cè)技術(shù)的核心內(nèi)容和重要課題。本文以熱液探測(cè)為背景，重點(diǎn)對(duì)基于源頭概率分布地圖的追蹤策略、和基于行為的在線任務(wù)規(guī)劃算法進(jìn)行了研究，為日后研究和設(shè)計(jì)高效的搜尋定位技術(shù)提供必要的理論基礎(chǔ)。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　一、在現(xiàn)有羽狀物模型和計(jì)算流體力學(xué)理論基礎(chǔ)上，提出一種基于細(xì)絲隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的建模方法，利用該方法建立了用于驗(yàn)證羽狀物源頭搜尋定位算

3、法的非浮升熱液羽狀流仿真模型。通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)的顯示模塊，可以看到模擬的非浮升熱液羽狀流呈現(xiàn)出蜿蜒的形態(tài)，以及羽狀物分布不均勻、不連續(xù)等特點(diǎn)，能夠較真實(shí)的模擬出真實(shí)環(huán)境中非浮升熱液羽狀流的運(yùn)動(dòng)特性，彌補(bǔ)了現(xiàn)有羽狀物仿真模型在描述自身擴(kuò)散特征上存在的不足。
　　二、對(duì)基于智能理論的羽狀物搜尋定位方法進(jìn)行研究，提出利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的改進(jìn)部分觀測(cè)馬爾可夫決策過(guò)程進(jìn)行源頭概率分布地圖的構(gòu)建，并利用六元組建立了化學(xué)羽狀物源頭概率分布地圖。通過(guò)

4、信念狀態(tài)更新機(jī)制可以實(shí)時(shí)在線更新羽狀物源頭概率分布地圖，并與貝葉斯構(gòu)圖方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文提出的構(gòu)圖方法在收斂范圍以及估算源頭概率值等方面都優(yōu)于貝葉斯構(gòu)圖方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的方法能夠繪制出較準(zhǔn)確的羽狀物源頭概率分布地圖。
　　三、針對(duì)時(shí)變流場(chǎng)環(huán)境下的羽狀物源頭定位問(wèn)題，提出一種具有較強(qiáng)目的性的基于行為的羽狀物源頭搜尋定位方法。包括變化Z字形搜索羽狀物行為、基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)理論的追蹤羽狀物行為、多三角形再發(fā)

5、現(xiàn)羽狀物行為和基于源頭概率分布地圖的源頭確認(rèn)行為。并針對(duì)搜尋定位方法中的追蹤羽狀物行為進(jìn)行了詳細(xì)研究，將人工勢(shì)場(chǎng)法引入追蹤羽狀物問(wèn)題中，把網(wǎng)格內(nèi)源頭概率值視為引力，通過(guò)計(jì)算得到的合力方向指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行追蹤羽狀物。
　　四、由于水中環(huán)境的熱液羽狀流搜尋定位實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度和成本較高，為了提高水下機(jī)器人在水中環(huán)境進(jìn)行熱液羽狀流搜尋定位實(shí)驗(yàn)的安全性和成功率。首先利用陸地實(shí)物平臺(tái)對(duì)本文提出的搜尋定位方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文提出的4種行為