基于滑模控制器与无迹卡尔曼滤波器的水下滑翔蛇形机器人

水下作业机械是指在水下进行各种工作的统称。包括：水下探摸、水下勘查、水下电焊、水下切割、水下爆破、水下电视摄像、水下摄影、浮筒作业等。用于援潜救生、沉船打捞、水下工程建设、科学试验以及水底资源开发等。

中国科学院沈阳自动化研究所将水下滑翔机和水下蛇形机器人相结合研发了一款新型水下滑翔蛇形机器人，研究团队采用趋近律方法设计滑模控制器与无迹卡尔曼滤波器，对测量噪声进行滤波和对未知状态量进行估计。使得该机器人实现了净浮力驱动的滑翔运动和关节力矩驱动的多种游动步态等操作，具备续航能力强和机动强的优势。研究团队提出的闭环控制框架对一些其他非线性系统具有一定的通用性。

水下滑翔机

一种新型的水下机器人。由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大(可达上千公里)的特点。水下滑翔机的航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点，满足了长时间、大范围海洋探索的需要。水下滑翔机滑翔时由于无动力推进噪音极低，这个重要的特点使得其在军事上也有很大的应用价值。可以由潜艇远程投放，以完成特定的目的，并且不易被发现。然而，由于单纯使用浮力驱动方式，水下滑翔机在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，其航迹控制和定位精度低，航速慢，在风浪较大的海面可能会出现随波逐流的情况。水下滑翔机分为电能驱动型和温差能驱动型两类。

蛇形机器人

一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人。由于它能像生物一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“Z富于现实感的机器人"。代蛇形机器人结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立的蛇的行波运动学模型，并研制的机器蛇样机，并利用样机实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。第二代蛇形机器人设有多项预留位置，如配备局部控制器、位置及力矩侍服器、从动轮锁死装置等配套装置，可实现机器蛇环境识别和自主运动。在机器蛇的头部配置有红外线探测头，可反馈对环境的监视数据。

水下机器人

也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。无人遥控潜水器主要有：有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。典型的遥控潜水器是由水面设备(包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等)和水下设备(包括中继器和潜水器本体)组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备(摄像机、照相机、照明灯等)和作业设备(机械手、切割器、清洗器等)。

机器人关节驱动机构

机器人是由多轴(关节)组成的，每轴的运动都影响机器人末端的位置和姿态。机器人的关节是间接驱动有两种方式:1、链条、钢带 链条和钢带的刚度好，是远程驱动的手段之一，而且能传递较大的力矩;2、平行四边形连杆 这种方式的特点是能够把驱动器安装在手臂的根部，而且该结构能够使坐标变换运算变得极为简单。电动机是机器人驱动系统中的执行元件。机器人常采用的电动机有：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。

水下续航能力

指船舶、飞机等连续航行的能力。但同一船体或飞行器在不同速度下其续航力却有很大差异，水下只能用蓄电池，如果用航速航行，大约一个小时就耗完电，如果水下航速为20节，则水下航速下的续航力为20海里左右;如果用经济航速(比如8节)，则续航力一般为数百海里至数千海里不等。

滑模控制器

也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。

无迹卡尔曼滤波器

简称UKF，是一种新型的滤波估计算法。，无迹卡尔曼滤波器以UT变换为基础，摒弃了对非线性函数进行线性化的传统做法，采用卡尔曼线性滤波框架，对于一步预测方程，使用无迹(UT)变换来处理均值和协方差的非线性传递，就成为UKF算法。UKF是对非线性函数的概率密度分布进行近似，用一系列确定样本来逼近状态的后验概率密度，而不是对非线性函数进行近似，不需要求导计算Jacobian矩阵。UKF没有线性化忽略高阶项，因此非线性分布统计量的计算精度较高。基于上述优点，UKF被广泛应用于导航、目标跟踪、信号处理和神经网络学习等多个领域。

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