基于仿生浮力调节的水下机器人主动环境自适应调节机理研究

无人无缆自治水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）是水下机器人发展的重要方向，具有很多潜在的科学和军事用途。将浮力调节系统应用于AUV是水下机器人发展的必然趋势。通过分析不同海洋生物浮力调节机理，阐明气体和液体作为浮力调节介质体现出的不同调节规律和特性，提出具有仿生意义的气液同调浮力调节机理，研发在该机理下的新型浮力调节系统原理样机。在此基础上，针对气液同调浮力调节系统的非线性特性和AUV航行环境的模糊不确定性，采用模糊自适应控制方法，通过主动测量AUV航行水域环境参数，进行基于浮力调节的主动环境模糊自适应相关控制研究，减小AUV，特别是大航程AUV的航行能耗，提高运动灵活性。同时，研究也为实现AUV低能耗定深悬浮、软着陆坐底、紧急上浮、水面静态下潜等功能提供了新的解决途径。

本项目将鱼类浮力调节机制的功能运用在自主水下机器人上，解决了自主水下机器人在大深度和大范围水域两个尺度上由于浮力变化带来的一系列问题。研究了针对大深度和大范围两个尺度应用的浮力调节模块，并采用模糊自适应的算法研究了采用浮力模块后浮力调节的环境自适应问题。在项目研究过程中，将造成自主水下机器人浮力变化的基本机理和具体计算方法，应用在我国十二五重点项目《无人无缆水下航行器改造项目》“潜龙一号”的下潜配平和浮力调节系统设计指标的制定上。项目组也非常重视理论向实际应用的拓展研究，分别开发了面向大深度和面向大范围水域调节的两款浮力调节系统原理样机，且在原理样机被试验证明是可靠的基础上，分别应用在我国6000米自主水下机器人“潜龙一号”和中国科学院先导专项项目“长期定点剖面观测型AUV系统”上，取得了很好的工程应用价值。项目资助期间共发表6篇相关研究论文，其中3篇为EI检索论文，申请专利5项，其中3项为发明专利。