欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真

为解决欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)移动式回收控制问题以及无法直观展示移动式回收过程的情况,本文设计了一套半物理仿真系统并通过视景仿真模块实时显示AUV与移动式回收装置在虚拟海洋环境中的位姿变化。首先介绍了移动式回收任务的流程;然后设计了一种新的前向速度导引律,并利用基于AUV模型的轨迹跟踪控制方法计算控制指令;最后搭建了半物理仿真系统且由视景仿真界面实时展示移动式回收装置与AUV的位置与姿态信息。仿真结果表明:当AUV由不同位置出发时基于模型的轨迹跟踪控制方法都能控制AUV顺利地靠近移动式回收装置、安全稳定地完成移动式回收任务。

自主式水下航行器三维路径跟踪的神经网络H_∞鲁棒自适应控制方法

本文研究了存在模型不确定以及外界未知扰动情况下的自主式水下航行器(AUV)的三维路径跟踪控制问题.针对此问题,首先利用时标分离原理及正交投影Serret-Frenet坐标系建立了描述AUV质心运动及姿态运动的的仿射非线性数学模型.其次,在控制器设计中运用神经网络H∞鲁棒自适应算法克服了模型的不确定性及扰动,同时在控制器设计中利用了主导输入的思想,降低了闭环系统的复杂度,减少了实时计算工作量,便于工程应用.基于Lyapunov理论的分析保证了系统的稳定性.仿真结果表明,路径跟踪控制律可以保证AUV沿期望路径运动,并且具有良好的动态性能.

自主式水下航行器——Hugin 3000 AUV

Hugin 3000是一个承载高分辨率传感器的自主式水下航行器。该自主式水下航行器采用人工监控或自主运行模式进行深度3000m的水下作业。高速和长续航力的性能已获得验证并且突破性技术的效率极高。

使用混合代理模型的自主式水下航行器藕节壳体多目标优化

针对已有藕节壳体结构优化设计均为简化模型,且没有对内部有效体积进行分析的问题,文中使用非支配排序遗传算法(NSGA-II)和由径向基函数、支持向量回归函数、Kriging函数构建的混合代理模型,对自主式水下航行器(AUV)的切弧连接藕节壳体和环肋加强藕节耐压壳体进行了浮重比和内部有效体积的多目标优化,UG二次开发程序实现了藕节壳体的参数化建模,并在满足强度和稳定性要求的前提下,准确有效地获得该多目标优化问题的Pareto前沿,可为AUV壳体优化设计提供参考。

基于K-Means的水下传感器网络AUV数据收集方法

水下传感器网络(underwater sensor networks,UWSNs)具有节点稀疏布置的特点,目前主要采用自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)收集网络中的数据,其中AUV如何移动从而高效地完成数据收集任务是一个关键问题。文章提出了一种基于K-Means的水下传感器网络AUV数据收集方法,首先利用K-Means聚类理论对水下传感器网络进行划分,并以节点通信范围为约束条件得到网络划分结果,即多个网络子集,又称"子团";然后针对网络的变化,节点自主调整子团的结构并确定数据收集点;最后依据多个数据收集点形成AUV的最优移动路径。大量的实验结果表明该方法可以有效地规划出AUV的移动路径,不仅可以完成全网数据收集任务,而且具有耗时短、能耗效率高的优点。

AUV复合浮力调节装置的设计及实验

针对长程自主式水下航行器(AUV)在使用推进器定深巡航、上浮下潜能耗高以及传统浮力布置方式带来重心改变控制复杂等问题。提出了一种复合浮力调节装置,该装置在结构上独立成段,集成了浮力调节和重心调节功能。可在满足浮力调节的同时,利用剩余空间实现对俯仰角的控制。并采用一种新的浮力模块布置方式,通过理论计算验证了该装置可以在AUV上浮、悬浮、下潜过程中保持一定姿态。搭建了复合浮力装置样机,对主要部件进行强度校核,测试其在水下的密封性能和浮力调节精确度。结果表明:该机构具有精确的浮力调节能力,以及保持该机构在水中平衡的能力,相比传统布置方式可提高空间利用率、简化安装步骤。

一种分布式异构多AUV任务分配鲁棒拍卖算法

为了解决异构多自主式水下航行器(AUV)的任务分配问题,提出了一种分布式鲁棒拍卖算法。建立了异构多AUV任务分配分布式拍卖模型,包括任务分配系统(拍卖商)的优化模型及AUV的优化模型。针对现有拍卖算法忽略拍卖商的利益,不符合市场规律的问题,引入任务奖励反馈机制,任务分配系统通过多轮试探拍卖市场,自适应地调整任务奖励,达到保证AUV效用的同时,有效降低任务分配系统成本的目的,促进了任务分配系统参与拍卖。针对水下洋流对任务分配模型产生的不确定性因素,提出了一种鲁棒优化算法对抗不确定性因素,提高了多AUV任务分配系统应对复杂水下环境的能力。仿真结果证明了所提算法的鲁棒性和有效性。

基于Simulink的高空空投AUV全弹道仿真系统研究

高空空投AUV(Autonomous Underwater Vehicle,自主水下航行器)是一种基于"高空反潜武器概念"而设计的基高空滑翔与水下自主航行于一体的新型水下航行器,对其全弹道的仿真是其概念设计阶段的重要内容和理论基础。根据高空空投AUV弹道各稳态阶段的运动与环境特点,分别搭建了滑翔、减速与水下阶段六/九自由度仿真模型。仿真了空投AUV在翼面组件升力作用下的自由滑翔弹道和在圆形降落组件作用下的减速弹道。设计了AUV水下偏航与深度控制器,并进行了水下闭环控制仿真,验证了AUV深度与偏航控制下沿指定轨迹航行。仿真结果表明,仿真系统能准确快速地仿真出AUV各运动阶段的弹道、位姿、速度与加速度信息,适用于全弹道组件设计、特性分析与控制器设计与验证。

基于RBF与OS-ELM神经网络的AUV传感器在线故障诊断

传感器是自主式水下航行器(AUV)的重要组成部分,实时准确地对AUV传感器进行在线故障诊断,对提高AUV的安全性具有重要意义。文中通过对机器学习算法的分析,建立了基于径向基函数(RBF)神经网络的AUV传感器预测器,该预测器具有较高的实时性和准确性;在此基础上,首次将在线贯序学习机(OS-ELM)算法应用于传感器在线故障诊断,进一步提高了预测器的实时性和准确性。文中还利用某AUV传感器实航数据,分别对2种故障诊断模型进行了仿真和对比分析,结果表明,结合RBF神经网络算法的OS-ELM神经网络预测器,其预测精度和实时性较RBF神经网络预测器更高,而且性能更稳定,可为AUV控制系统各传感器在线故障诊断方案设计提供参考。

基于超短基线的AUV自主对接流程及算法

自主式水下航行器(AUV)自身携带能源有限,需要在完成一段任务后自主航行至水下基站与其对接。文中分析了目前对接基站的现状,针对包容式基站,在分析对接工作原理的基础上,提出了一种基于超短基线信息的对接流程:首先根据导引信息和到对接基站的距离不同,将AUV自主对接分为远程、中程、近程和末程4个阶段;其次详细分析了每个阶段的工作特点、对接流程和控制算法;最后通过在VS2008中的数学仿真和搭载AUV开展湖上试验,验证了对接流程和控制算法的可行性。仿真和试验结果均表明,该AUV自主对接控制流程和算法稳定可靠,具有良好的工程应用前景。

小波神经网络多传感器信息融合在AUV深度测量中的应用

针对常规自主式水下航行器(AUV)深度传感器尚未考虑受内部环境温度、电流等影响的问题,基于小波神经网络多传感器信息融合技术,建立了融合温度传感器、电流传感器和深度传感器样本信息的AUV深度测量紧致型小波神经网络结构模型,并利用基于梯度的学习算法进行求解。试验数据表明,深度传感器测量精度经过小波神经网络信息融合后,测量误差大大降低,很好地消除了环境温度、电流等干扰因素对深度传感器测量精度的影响。

基于Dubins曲线的AUV集群协同搜索优化

实现目标搜索区域的全覆盖,是在开阔海域使用自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)进行协同区域搜索应解决的首要问题之一。针对传统牛耕式集群搜索算法存在遗漏区域问题,在AUV运动学约束的基础上,提出一种基于Dubins曲线的协同区域搜索算法,给出集群中不同AUV的转弯时机,使AUV集群在满足目标区域全覆盖的条件下重复搜索面积最小。仿真结果表明,AUV集群的新型协同搜索方式在覆盖范围方面比传统牛耕式集群搜索方式更具优势。

AUV回收技术现状及发展趋势

基于当前AUV技术的发展形势及应用领域阐述了AUV回收的背景及意义,介绍了国内外AUV回收技术现状,并主要针对最新的自主回收技术,分析了其相关力学、控制以及导航等关键领域中的技术难点和理论方法,概括了相应的解决思路,探讨了AUV回收技术的发展趋势。

水下导航定位技术综述

自主式水下航行器(AUV)作为海洋资源的开发与利用的主要载体,执行任务时需要准确的定位信息.现有AUV主要采用捷联惯性导航系统(SINS)为主,声学导航和地球物理场匹配导航技术为辅的导航方式.本文简述水下导航方式基本原理、优缺点和适用场景;探讨各类导航方式包含的关键技术,提高组合导航精度和稳定性.通过分析现阶段存在问题,展望水下导航的未来发展趋势.

基于Matlab的AUV近水面运动模型的建立与仿真

该文运用矢量方法对自主式水下航行器 (AUV )近水面的六自由度运动方程进行了推导 ,得到了一个适于在Matlab环境中仿真的高度矢量化的空间运动模型 ,并用在Matlab的仿真工具箱Simulink中建立的AUV近水面的六自由度运动仿真模块对AUV的近水面运动进行了仿真 ,在此基础上分析了波浪力对AUV的影响。该模型的建立和仿真为AUV近水面的稳定性分析和控制系统的设计提供了便利的工具。

AUV总体概念设计中的多学科和多目标优化研究

针对水下自主式航行器(AUV)在总体概念设计阶段的多学科和多目标优化问题进行了研究。基于MDO的概念将AUV的设计要求分解为系统控制层和5个子系统,考虑了有效负载长度和总质量两个目标函数。采用多学科可行解方法(MDF)和多目标遗传算法(MOGA)给出了多学科的Pareto最优解,并且和经典的多目标方法进了比较。

导向喇叭口剖面半径对AUV回收的影响

为了对形状尺寸受限的自主式水下航行器(AUV)回收装置导向喇叭口进行合理设计,分析了弹簧模型和弹簧-阻尼模型2种接触力模型对计算的影响,研究了喇叭口剖面半径和初始偏移量对回收接触力和回收时间的影响规律,提出了喇叭口的设计评价方法。在六自由度运动一般表达式的基础上结合接触力模型,建立回收过程中的AUV运动方程,设计适用于接触力的时间离散求解程序,在MATLAB环境下对AUV回收过程进行计算。结果表明,阻尼在接触模型中的作用有利于回收的顺利进行;增加喇叭口剖面半径对减小接触力和回收时间均具有积极影响;综合评价系数可用于综合考量设计指标以确定喇叭口剖面半径。

AUV重力加小推冲载荷分离方法

自主式水下航行器是由载荷和运载体组成的一个多体系统。本文在AUV分离运动数学模型的基础上,推导了载荷和运载体初始位置以及初始攻角的计算模型,提出了一种工程实用的重力加小推冲分离方法,其2个阶段的分离过程主要是依靠分离载荷的自身重力进行分离,必要时辅助以一定的推冲力,并对这种分离方法进行了仿真和安全性研究。仿真结果表明,当运载体速度一定时,在一定程度上增大推冲力,可缩短分离时间,减轻载荷与运载体之间相互作用的影响,可提高分离安全性。该分离方法的安全性与预定分离角和分离初始速度有关,分离初始速度减小,有利于提高分离安全性;分离初始速度增大,可减小预定分离角(不大于90°)以确保分离安全。

多AUV协作时钟同步控制算法设计与实现

鉴于多自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)协同作业中时钟同步技术的重要性,设计了一种基于数字信号处理器(digital signal processor,DSP)的精确时钟同步方案。首先分析了时钟同步过程中误差的来源,并提出了线性回归和卡尔曼滤波算法,对误差进行了有效补偿,确保AUV时钟与全球定位系统(global positioning system,GPS)时钟精确同步。然后利用DSP、GPS模块以及恒温晶振完成了时钟同步控制的硬件实现,时钟校准实验表明,该控制算法大大提高了时钟同步过程中的授时精度和频率稳定度,满足多AUV协同作业在时钟同步方面的需求。