自主水下机器人深海热液羽流追踪研究

针对自主水下机器人（AUV）高效探测深海热液羽流并藉此快速、精确定位海底热液喷口的应用需求，借鉴自主机器人化学羽流追踪研究结果，提出研究AUV自主追踪热液羽流到达海底喷口位置进而实现喷口定位。主要研究AUV热液羽流追踪仿真实验环境、AUV热液羽流追踪策略和自主行为、和AUV基于行为的模块化控制体系结构三方面研究内容；研究并解决：(1)体现热液羽流时空分布特性和AUV热液羽流追踪问题复杂性的热液羽流仿真方法、算法、和参数设置；(2)AUV仿生热液羽流追踪策略设计和自主行为抽象；(3)AUV热液羽流追踪自主行为设计、性能评估、和优化三个关键问题，并通过AUV仿真平台和外场实验对研究成果进行演示和验证；以期通过本项目的研究，获得AUV高效的追踪热液羽流并藉此快速、精确定位海底热液喷口的方法和算法，为将来我国AUV自主搜索和定位海底热液喷口的实际应用提供必要的理论基础和技术储备。

本项目针对自主水下机器人（AUV）自主追踪热液羽流到达海底喷口位置进而实现喷口定位开展应用基础研究，主要研究热液羽流追踪仿真研究环境、AUV基于行为的模块化控制体系结构、和AUV热液羽流追踪策略和自主行为三方面研究内容。已按照研究计划完成了全部研究内容，主要成果如下：.（1）基于拉格朗日粒子随机行走方法，提出一种热液羽流仿真模型，藉此研发了一个AUV热液羽流追踪仿真研究环境。该仿真环境为AUV追踪热液羽流研究提供了有力的支持。.（2）借鉴自主机器人离散事件监督控制研究，提出一种模块化的基于行为任务规划器体系结构，便于AUV基于行为规划算法的研究和开发。针对AUV追踪热液羽流需要，提出一种欠驱动AUV三维路径跟踪制导算法和一种混合模糊P+ID控制算法，均是适合于AUV实际应用的算法。.（3）模仿生物追踪羽流采用的逆流向上游的“之”字形追踪策略，提出一种AUV热液非浮力羽流追踪策略，设计了AUV实现该策略的基于行为的规划算法，对算法中关键参数的设计和选取依据、原则进行了深入细致的分析。理论分析、仿真、和近岸海洋环境罗丹明羽流追踪实验结果表明，设计的策略和算法能够实现AUV在复杂海洋环境中对非浮力湍羽流的长距离追踪并对其源头进行定位。.（4）针对AUV在三维空间中追踪热液浮力羽流进而精确定位热液喷口，提出两种仿生浮力羽流追踪策略，设计了AUV实现相应策略的基于行为规划算法。针对多临近喷口的定位问题，研究了AUV基于占用栅格标图算法估计热液喷口位置，并提出一种热液喷口精确定位方法。提出的策略和设计的算法，有效的解决了AUV对浮力羽流的追踪和热液喷口的精确定位问题。.（5）提出AUV在二维水平面探测非浮力羽流的自适应梳形策略，和AUV探测浮力羽流柱的策略，设计了AUV实现相应策略的基于行为的规划算法。设计的热液羽流探测策略，在将来的AUV热液羽流测绘作业中具有良好的应用前景。.（6）进行了继美国之后国际上第二个进行自然环境中大尺度羽流追踪的实验，证明了基于仿生行为设计的羽流追踪算法可以实现自主机器人对复杂自然环境中湍羽流的有效追踪。.研究成果不仅为AUV热液羽流追踪问题提供了一种有效的解决方法，为AUV自主寻找、定位和探测热液喷口作业方案和任务规划研究奠定了重要的理论基础和技术储备；同时也丰富了AUV控制领域的研究成果，对自主机器人羽流追踪领域的研究起到了一定的促进作用。