基于主从式水下自主航行器移动组网的合作目标定位方法

利用水下自主航行器(AUVs)协同编队可以在未知水域中实现对目标的定位。针对AUV导航误差导致定位精度降低问题,该文提出一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的多AUV编队融合观测协同目标定位算法。AUV编队由一个装备有高精度惯性导航系统(INS)的领航AUV以及多个装配有低精度INS的跟随AUV组成。从跟随AUV中选取参考AUV和待测AUV,通过设置定位周期和观测间隔来分别对其进行不同的观测。参考AUV作为中转,接收来自高精度AUV位置参数后,向待测AUV传递自身位置参数,利用扩展卡尔曼滤波器完成对AUV集群的协同位置修正。仿真结果表明,该方法AUV集群自身定位精度高且误差随时间积累小,对领航AUV数量需求少,能够实现水下目标低功耗、远距离定位。

水下自主航行器仿真建模验模方法研究

该文介绍了利用面向对象法建立水下自主航行器的仿真模型 ,并研制了模型验证方法工具库 ,首次采用最大熵谱估计方法对仿真和实际系统结果进行了综合验证研究。结果表明 ,本项研究有助于克服传统曲线对比中定性分析法的局限性 ,对航行器仿真建模。

水下自主航行器垂直面运动的预测控制

针对近水面海浪干扰下水下自主航行器(AUV)的深度跟踪及姿态控制问题,提出一种基于非线性降维状态观测器(ROSO)的预测控制.通过非奇异坐标变换实现AUV垂直面运动非线性模型的状态估计,并将状态估计结果用于预测控制及其预测模型的在线线性化过程中,在仿真实验中对ROSO与全维状态观测器(FOSO)的状态估计结果进行对比,同时也对比了所提出的基于在线线性化的预测控制(PC-NMOL)与现有的非线性预测控制(NPC)的控制效果.仿真结果证明了所提出的方法可以得到精确的状态估计,且具有动态响应快,对外部扰动鲁棒性强的特点.

用递层分析法确定水下自主航行器的设计要求

依据层次分析原理建立了水下自主航行器组成部分间层次结构及层次间，同层次间元素的支配关系，递层求得各组成部分相对航行器性能的设计要求（重要程度），结果令人满意。

基于鲁棒Restless Bandits模型的多水下自主航行器任务分配策略

针对水下监测网络中多自主航行器(AUV)协同信息采集任务分配问题进行了研究。首先,为了同时考虑系统中目标传感器的节点状态与声学信道状态对AUV任务分配问题的影响,构建了水声监测网络系统的综合模型;其次,针对水下存在的多未知干扰因素并考虑了模型产生不精确的情况,基于强化学习理论将多AUV任务分配系统建模为鲁棒无休止赌博机问题(RBP)。最后,提出鲁棒Whittle算法求解所建立的RBP,从而求解得出多AUV的任务分配策略。仿真结果表明,在干扰环境下与未考虑干扰因素的分配策略相比,在系统分别选择1、2、3个目标时,鲁棒AUV分配策略对应的系统累计回报值参数的性能分别提升了5.5%、12.3%和9.6%,验证了所提方法的有效性。

水下自主航行器回坞控制和仿真的研究

水下自主航行器的回坞定位导航控制的任务是使水下自主航行器在洋流的影响下以一定的航艏向和姿态驶向接驳系统,并完成入坞这一过程.回坞过程分为3个阶段:远距离追踪式回航阶段、近距离中心线回航阶段、末端姿态调整阶段.针对不同阶段分别采用不同的引导方式:视线法、横向误差法、设计参考航向法实现回坞过程的路径规划,用Proportional Integral Derivative(PID)控制法对回坞过程进行运动控制,并且利用数学模型在Matlab/simulink中对回坞定位导航控制进行仿真.仿真结果显示了文章所采用定位导航控制的有效性.

水下自主航行器造价分配中的协调优化技术

阐述了工程软设计理论中的协调优化技术，分析了水下自主航行器的系统模型，最后将协调优化技术应用到水下自主航行器的造价分配问题中，得到了一个更为合理的分配方案。

复杂涌流下水下自主航行器横滚抑制控制仿真

在复杂的海洋涌流背景下,水下自主推进航行器受到扰动较大,出现横滚导致控制稳定性下降,提出一种基于模糊PID扰动抑制的复杂涌流下水下自主航行器横滚抑制算法。构建在复杂涌流下的水下自主航行器运动状态模型,在航行器的纵向运动全包线内对横舵角、横滚角、回旋角等运动约束参量进行定常运动分析,采用模糊PID神经网络控制模型进行控制律的改进设计,结合Lyapunov稳定性原理进行横滚抑制和误差修正,实现控制算法改进。仿真结果表明,采用该控制算法进行复杂涌流下水下自主航行器横滚抑制控制,具有较好的输出响应跟踪性能,有效抑制横滚,提高了水下自主航行器的稳定控制能力,鲁棒性较好。

基于水下自主航行器(AUV)的神狐峡谷谷底块体搬运沉积特征及其对深水峡谷物质输运过程的指示

海底峡谷是陆源物质向深海运移的重要通道。对于远离陆地的海底峡谷,通常认为浊流是物质搬运的主要营力。受限于探测精度和复杂作业环境影响,使用常规地球物理资料对深水海底峡谷尤其是对谷底沉积体的形态和结构特征的刻画不够精细。基于水下自主航行器(AUV,Autonomous Underwater Vehicle)采集的高分辨率多波束、旁扫声呐和浅地层剖面资料,对神狐峡谷群中的一条峡谷的谷底表面及部分浅部地层的沉积特征进行了分析。结果表明,峡谷谷底浅部地层并不像它平滑的表面那么简单,而是由大量内部杂乱弱反射、厚度在8.4 m及以下的块体搬运沉积体组成。峡谷中下游块体搬运沉积体大都沿峡谷走向整体呈条带状展布,不是直接来源于相邻的峡谷脊部。研究认为在特定沉积环境下(例如高海平面时期),陆坡限定性峡谷谷底的块体搬运沉积过程的重复进行是峡谷谷底物质输运的重要途径,与浊流共同雕刻了峡谷的地形地貌。基于AUV的地球物理探测技术将是研究海底浅表层沉积过程和保障海底工程施工的重要手段。

基于网络控制系统的水下自主航行器制导系统结构

在现代控制系统中,网络控制系统可以用最小成本实现柔性系统,该柔性系统可以完成包括功能可重新配置的许多任务;网络控制系统采用公用的总线结构,使得系统具有更加有效的灵活功能、更好的资源共享、降低系统的维护成本,网络控制系统的最大问题是由于网络而产生的时延和数据包的丢失;研究了基于网络控制原理的水下自主航行器制导系统,详细分析了水下自主航行器网络控制系统的稳定性问题和基于时间触发的TTCAN高层协议;论文旨在通过对水下自主航行器网络控制系统结构的研究,指出其结构的意义和进一步的研究领域。

基于TMS320F2812的水下自主航行器CAN总线通信

基于TMS320F2812的水下自主航行器CAN总线通信,其DSP节点可处理数字信号和控制电机,采用CPLD设计TMS320F2812外存接口。内置eCAN模块可置为标准CAN控制模式,并可通过SCB位选择SCC/eCAN模式。软件流程含eCAN初始化、主节点接收外部节点信息、主节点和其它节点向另外CAN节点发送信息。

水下自主航行器微光照相机驱动系统设计

提出了基于水下自主航行器的EMCCD微光照相机驱动系统设计方法。首先,分析了EMCCD输出噪声的组成,根据暗电流噪声和时钟感生噪声的关系,给出了常规功率驱动的器件选型原则和设计方法;讨论了使用图腾柱电路实现电子倍增驱动的功耗问题,并给出了改进方案;使用高频系统时钟实现了驱动相位和脉宽的微调,解决了驱动时序波形幅度重叠率不足的问题;最后,给出了使用CCD201-20搭建的水下相机结构和实验结果。实验结果表明,系统产生的常规驱动信号频率为时钟频率10 MHz,串行转移时钟的幅度重叠率优于50%,并行转移时钟的幅度重叠率优于90%,驱动信号的相位调整精度为18°,脉宽调整精度为5 ns,驱动波形稳定、平整,电子倍增驱动信号高电平可调,功耗相较于优化前降低7.2%。本文所介绍的EMCCD驱动系统设计方法充分兼顾了驱动系统的噪声、体积和功耗问题,可以广泛应用在水下微光成像乃至常规CCD领域。

水下自主航行器在海洋环境监测中的应用及试验研究

水下自主航行器是海洋环境监测中十分重要的观测装备。论文针对海洋环境监测网的特点,开展了海洋环境观测型水下自主航行器的设计,提出了水下自主航行器在海洋环境监测中的几种应用形式。并对其中几种典型应用进行了海上演示示范试验,试验结果表明水下自主航行器在海洋环境监测中的应用是十分有意义,具有大范围推广的应用前景。

基于径向基神经网络的水下自主航行器寻源算法研究

针对水下航行器在二维信号场中的场源搜索问题,提出了一种基于径向基函数神经网络(radial basis function neural network,简称RBFNN)的在线自主寻源算法。在神经网络中引入全局正则化参数以保证泛化性和稳定性,通过最小化广义交叉验证误差(generalized cross-validation,简称GCV)进行正则化参数的迭代优化,并利用增量式奇异值分解(incremental SVD)对迭代过程进行加速,此外通过基于样本新颖性的资源分配网络算法(resource-allocating network,简称RAN)进行径向基函数的分配,在此基础上使用动量梯度算法进行航行器运动方向的规划。最后,以热泉区硫化氢浓度分布场中的搜索作业为背景,使用该算法与其他研究中的算法进行单峰值信号场的场源搜索模拟计算对比,结果显示该算法对于信号场梯度的估计更加准确,且搜索过程的路径更短。此外在多峰值信号场的寻源模拟中该算法能够以较高的成功率通过局部最大值区域。证明该算法具有良好的拟合、预测性能以及稳定性,并且能在一定程度上避免陷入局部最优解。

水下自主航行器(AUV)建模仿真研究

本文对鱼雷形状的水下自主航行器的六自由度非线性动态模型的研制作了较为详细的介绍。该动态模型充分考虑了各方面的因素,其中包括静水力学,超重,流体力学,操舵、推进力和力矩等。此外模型还考虑了航行器动力学和环境的影响。

水下自主航行器的横滚抑制控制系统设计

水下自主航行器受到扰动影响容易产生横滚,为了提高水下航行器的稳定性,提出一种基于横滚抑制的水下自主航行器控制系统设计方法。系统设计主要包括了控制算法设计和系统的硬件模块化设计,采用鲁棒性PID控制算法进行控制律设计,构建静态神经元控制时滞闭环系统,采用严格反馈抑制方法进行横滚抑制,在程序加载电路中进行控制算法加载。硬件设计主要包括航行姿态的A/D采样电路、控制信息处理器、伺服机构和控制输出电路等。最后进行系统调试和仿真分析,结果表明,采用该控制系统能有效抑制水下自主航行器的横滚,进行姿态修正,提高航行稳定性。

基于无线通信的水下自主航行器跟踪技术

针对水下自主航行器的三维轨迹跟踪问题,本文介绍一种基于无线通信的水下自主航行器主被动跟踪技术。主要介绍了系统的总体方案、直线阵测向技术、无线网络通信技术和目标跟踪算法等几项关键技术。通过这几项关键技术的研究,对于提高水下自主航行器的跟踪能力,突破基于特征声源的动态目标跟踪技术难题,揭示水下目标的三维运动规律等都具有重要意义。

自主水下航行器集群组网技术发展与展望

自主水下航行器(AUV)可借助水声通信、协同探测和控制决策等关键技术实现集群组网,形成同构或异构集群进行协同作业。通过集群组网,可以充分发挥不同航行器平台的能力优势,实现多平台之间的信息共享、任务协同和资源整合,从而自主完成更复杂的海上作业任务。这种集群化的作业方式不仅提高了任务执行效率,还可降低作业成本,并提升海洋领域的探测、监测和应对能力。文中介绍了国内外AUV集群组网研究现状,总结了集群组网通信、集群感知、控制决策等关键技术和挑战,并针对AUV集群组网的应用需求,其在探测、通信、控制方面的发展趋势进行了展望,为开展AUV集群基础理论研究与实践应用研究提供参考。

输入受限下自主水下航行器路径跟踪控制

针对欠驱动式自主水下航行器AUV的三维路径跟踪控制问题,设计了一种按设定误差性能指标函数收敛的反演滑模控制器。首先基于航行器的运动学和动力学模型将路径跟踪问题转化为非线性系统的镇定问题;然后,利用反演法和李雅普诺夫稳定性理论逐步修正虚拟控制律,从而使控制器能够保证系统的稳定性和鲁棒性。为解决舵执行器的速率受限的问题,通过调整跟踪误差的收敛过程速度的方法设计了控制器。仿真结果表明,上述控制器能够实现对三维直线路径的精确跟踪,而且明显降低了控制系统执行器的速率要求。

水下航行器自主导航定位技术前沿进展

导航与定位技术是自主水下航行器(AUV)预设任务并安全返航的前提,由于水下环境的限制,目前广泛采用多系统组合导航的方式来实现AUV的准确定位。面向AUV的工况特点,详细介绍了水声测速系统、水声定位系统以及地球物理场辅助导航技术的特征与技术难点,分析了用于水下自主导航时多源组合导航方法的最新进展,随着相关测量仪器领域的研究进展,基于精确测量地球物理场特征的辅助导航技术成为具有极强竞争力的方案之一。多AUV协同导航方案同样适用于复杂的水下环境,被视为未来AUV导航技术重要发展方向。