多UUV沿多条给定路径运动的协调编队控制

研究了在三维空间中多UUV的协调路径跟踪控制问题.应用分散控制策略将路径跟踪问题和个体间的速度协调编队解耦.在单个UUV的路径跟踪控制中引入视距导航(line of sight guidance)算法设计路径跟踪控制器,使得跟踪误差渐近收敛到零;引用图论知识设计协调控制器,使得多UUV沿期望路径的位置和速度在规定队形下达到一致,实现多UUV间的协调,而不影响空间域上的路径跟踪性能.

船舶动力定位系统参数辨识方法的研究

根据船舶动力定位控制系统设计的需要，针对水面舰船三自由度动力定位系统的结构和组成原理，提出了水面舰船动力定位控制系统模型参数的离线最速下降寻优的辨识方法，它既能节约系统模型参数的辨识时间，又能减少试验费用，从总体上提高了动力定位系统研制过程的工作效率。

基于散射模型的水下图像复原

水下图像的衰减度与成像距离有直接关系.为了在没有精确深度图情况下有效恢复水下图像,提出基于散射模型的分段映射方法.研究了水下光线的散射模型,探讨了水下图像的衰减规律;利用水池试验数据采用直线拟合法建立散射模型;提出基于散射模型的分段映射法.为避免求解精确深度图,利用映射约束条件及少量先验信息导出多级离散深度值,从而构建出从退化图像到真实图像的分段映射函数.恢复结果表明,所提方法增加了图像整体对比度,突出了图像细节,明显提高了图像质量.

基于OFRBF-Elman网络的UUV动力学模型辨识

水下无人航行器(UUV)是具有较强非线性的复杂动态系统,而神经网络具有理论上逼近任意非线性的能力;为了提高UUV的动力学模型精度,运用了基于输出反馈的RBF-Elman(OFRBF-Elman)神经网络的系统辨识方法,即对Elman神经网络进行改进,将网络输出进行延时反馈,作为输入与隐层进行联接;将径向基函数作为隐层节点的激活函数,并以线性最小二乘法调整隐层到输出层的连接权值;然后,将该方法应用于UUV空间六自由度的动力学模型辨识中;最后,通过仿真证明了该网络结构的辨识算法具有很好的逼近能力和快速的训练速度。

基于自适应反步法的欠驱动UUV空间路径点跟踪控制

解决了一类欠驱动UUV系统在空间6自由度运动中的路径点跟踪控制问题。首先采用拉格朗日方程的形式,建立UUV的6自由度运动学模型和动力学模型,并基于Line-of-sight法建立欠驱动UUV的路径点跟踪误差模型;然后提出了基于反步法设计满足动力学限制的综合控制器,设计自适应律以抵消海流的干扰,并基于Lyapunov理论证明了所设计控制器的稳定性;最后仿真结果验证了该控制器的有效性,实现了欠驱动UUV三维空间的路径点跟踪控制。

自主式水下潜器海洋环境监测系统技术概念

介绍了被誉为未来海洋卫星的自主式水下潜器ＡＵＶ（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅ－ｈｉｃｌｅｓ）的国外发展新动态、自主式海洋采样网络 ＡＯＳＮ（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｏｃｅａｎ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ）和海洋中的“卫星”技术概念和应用前景。

基于故障树的无人潜航器可靠性研究

在武器装备领域,系统的可靠性已成为重要的评价指标,故障树分析法则是可靠性仿真中最有效的分析方法之一。首先对无人潜航器（UUV）进行系统分析,然后介绍了故障树分析方法,并对该系统建立了以无人潜航器试验不能完成为顶事件的故障树。采用计算机辅助故障树分析方法对该故障树进行可靠性仿真,仿真结果求出了UUV系统的平均故障间隔时间、各基本部件的概率重要度和模式重要度,并得出了其可靠度直方图、失效分布直方图和失效密度直方图,与理论吻合。

基于非线性迭代滑模的欠驱动UUV三维航迹跟踪控制

为实现欠驱动无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle,UUV)在未知海流干扰作用下的三维航迹跟踪控制,提出一种基于工程解耦思想设计的非线性迭代滑模航迹跟踪控制器.基于虚拟向导的方法,建立UUV空间航迹跟踪误差方程;采用迭代方法设计非线性滑模控制器,无需对UUV模型参数不确定部分和海流干扰进行估计,避免了舵的抖振现象以及减小了稳态误差与超调问题.仿真实验表明,设计的控制器对欠驱动UUV系统的模型参数摄动及海流干扰变化不敏感、且设计参数易于调节,可以实现三维航迹的精确跟踪.

基于L_2干扰抑制的水下机器人人三三维航迹跟踪控制

为实现自治水下机器人(AUV)的三维航迹跟踪控制,考虑了非线性水动力阻尼对AUV系统的影响和外界海流干扰作用,提出了基于L2干扰抑制的鲁棒神经网络控制方法.该方法基于李雅普诺夫稳定性理论,设计神经网络控制器补偿非线性水动力阻尼和外界的海流干扰,再将神经网络的估计误差当做AUV系统的外部干扰用L2干扰抑制控制器予以消除.最后针对某AUV进行了螺旋线三维下潜跟踪控制仿真实验,结果表明设计的控制器可以较好地克服时变非线性水动力阻尼对系统的影响,并对外界海流干扰有较好的抑制作用,可以实现AUV三维航迹的精确跟踪.

基于组合EKF的自主水下航行器SLAM

针对标准扩展卡尔曼滤波(EKF)在噪声统计特性不准确、系统模型与实际模型无法完全匹配情况下滤波精度严重下降的问题,提出了一种基于Sage-Husa自适应EKF和强跟踪EKF组合的SLAM(同步定位与地图构建)算法.首先建立了AUV(自主水下航行器)的动力学模型、特征模型以及传感器的测量模型,然后通过Hough变换进行特征提取,最终采用组合EKF实现了自主水下航行器的同步定位与地图构建.海试数据仿真试验表明本文所提方法降低了噪声统计特性时变以及模型不精确对系统的影响,提高了SLAM系统的精确性和鲁棒性.

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.

AUV均衡系统设计及垂直面运动控制研究

针对AUV传统均衡调节系统存在难以克服的缺陷而无法实用的问题,设计了一种新型液压均衡系统。该系统主要由油箱和安装在AUV轴线上的两个油囊组成,通过调节油箱和油囊的油量来调节AUV的姿态和浮态。同时在简化AUV垂直面运动模型的基础上,构建了深度控制、纵倾控制和浮态控制模型,并基于PID和均衡系统设计了深度控制、纵倾控制和浮态控制方法。仿真结果表明在无干扰和有干扰两种情况下,设计的均衡系统能有效控制AUV的垂直面运动;建立的AUV垂直面运动控制模型符合AUV运行特性;PID控制算法适合海流干扰下的AUV均衡控制,且具有良好的控制品质。

水下运载体重力辅助惯性导航系统仿真平台

重力辅助惯性导航系统(GAINS)是未来水下无源导航的重要形式之一。为了调试和验证这种新的水下导航系统,开发了水下运载体导航系统仿真平台。提出了仿真平台总体结构;描述了仿真平台中运动载体模块、惯导模块以及重力测量模块的数学模型和仿真算法;对重力匹配算法也作了相应介绍;最后对仿真平台进行了仿真联调。结果表明,该仿真平台的结构合理可靠,各子系统采用的数学模型和仿真算法正确可信。

基于前视声呐信息的AUV避碰规划研究

在复杂海洋环境中,利用前视声呐获取的障碍物信息指导自治水下机器人(AUV)进行局部避碰。主要采用强化学习的方法对AUV进行控制和决策,综合Q学习算法、BP神经网络和人工势场法对AUV进行避碰规划。强化学习的方法强调AUV在环境的影响中学习,通过环境对不同行为的评价性反馈信号来改变行为选择策略。并且在环境发生变化时,AUV通过学习来实现对新环境的适应,不断改进其自治能力,进而实现在不确定环境下的避障任务。开发了AUV运动规划的虚拟仿真软件系统,仿真实验证明了算法的合理性与可行性。

基于海流剖面的UUV辅助导航方法

为了解决水下无人航行器(UUV)携带的测速传感器在失效情况下无法正常导航的问题,提出了一种基于海流剖面的UUV辅助导航方法。该方法首先采用实时性较好的卡尔曼滤波技术对海流剖面数据进行滤波,并引入小波变换方法辅助确定卡尔曼滤波器观测噪声方差、根据导航速度的变化动态计算过程激励噪声方差;然后建立海流剖面-导航速度关系数据库,从而反演UUV的导航速度,进而通过船位推算方法实现对UUV的辅助导航。为验证该方法的有效性,分别就海试时多普勒测速仪(DVL)测得的UUV速度数据1/2有效、1/10有效、1/20有效以及长时无效情况下进行计算分析,试验结果表明:在DVL声呐数据间隔有效的情况下,海流剖面辅助导航可以达到UUV的导航精度(CEP<0.5%)要求;且即使出现DVL声呐长时间得不到有效数据的情况,其导航精度也大大高于单纯使用UUV动力学模型进行辅助导航时的精度,说明海流剖面辅助UUV导航方法研究具有较大的意义。

基于HLA的舰船操纵综合仿真平台的设计

应军事分布式仿真由DIS向HLA升级的迫切需求,开发了基于HLA的舰船操纵综合仿真平台。充分利用HLA的模块化建模思想,把整个舰船仿真系统作为一个联邦,将其按功能划分成若干个联邦成员,进行分布式系统仿真。从设计入手,划分联邦成员功能、建立FOM文件,采用RTI集中式分布的星形结构,基于VC++2003.net软件开发工具进行联邦成员的双线程程序开发,并开发了一种有效的联邦测试工具,用于联邦成员集成后的验证。应用表明:该分布式舰船操纵仿真平台能完成日常航渡任务,同时,比集中式仿真具有更好的灵活性和可扩充性,便于未来系统的演化和升级。

基于HLA的舰载机飞行仿真可视化研究

基于HLA的体系结构和基于成员的设计思想,对舰载机的飞行仿真系统进行了研究,建立了其对象类和交互类;在HLA基础上利用MultiGen Creator/Vega和VC++的虚拟现实仿真平台实现了舰载机飞行仿真全过程的可视化,论述了多自由度(DOF)三维模型的建立、真实海洋环境的配置和视景仿真系统的软件设计;分析了视景仿真中时空一致性的关键技术,给出了三维仿真结果。

基于小波的无人潜航器航位推算算法研究

针对无人潜航器(unmanned underwater vehicle,UUV)在多普勒计程仪(Doppler velocity log,DVL)的量测噪声以及安装角偏离误差影响下,自主航行时不能满足长时间导航定位的问题,一方面基于Mallat算法的小波分解和单层重构方法对DVL量测速度进行滤波;另一方面,利用UUV湖试数据对传感器的安装偏离误差进行了校正。针对UUV在高纬度、长时间航行特点,采用地球参考椭球体作为地球几何形状的数学描述。最后对提出的导航算法进行了算法验证及自主导航控制试验,结果表明UUV的自主导航定位精度均小于0.5%,满足设计要求,并优于改进前的航位推算算法。

随机海浪的数值仿真与频谱分析

针对船舶航行抑制海浪干扰的需要,研究了海浪波形的建立方法。选取ITTC双参数谱作为海浪谱,通过能量等分法对其进行频率分割,计算分割频段重心频率作为谐波频率,根据长峰波海浪模型,将各次谐波进行时域合成。给出了基于能量等分法的海浪仿真算法,得出了时间和空间海浪仿真波形。采用Welch法对仿真海浪进行频谱分析,与理想海浪谱对比,仿真精度达到了1.6%,验证了该方法的有效性,为船舶航行运动参数的有效滤波提供了可靠的扰动信号。

AUV深度的模糊神经网络滑模控制

本文设计了一个模糊神经网络滑模变结构控制器 ,通过模糊神经网络对滑模控制律的控制增益进行在线调整 ,并在海浪干扰条件下 ,用此控制器对 AUV进行深度控制 .