水下自主潜航器集群协同围捕技术

水下自主潜航器(autonomous underwater vehicle,AUV)集群协作围捕技术是国际前沿的研究热点,研究了AUV集群水下协同围捕技术的应用,并归纳总结了5种典型的围捕场景;提出了一个全面的AUV集群协同围捕任务的系统框架,并基于该框架详细归纳分析了AUV围捕技术的研究进展,指出了一些有前景的研究方向.

基于正交移动双水下自主潜航器的水下合作目标定位方法

利用水下自主潜航器(AUV)定位是水下大区域静止目标定位主要方法之一。针对单AUV定位存在的定位周期长,定位覆盖区域低,长时间定位误差累积大的缺陷,该文提出一种基于正交运动的双AUV的静止目标定位方法。每个AUV通过自身携带的惯性导航系统(INS)和多普勒计程仪进行自身定位,并在多次运动过程中通过与静止目标间的通信时延差测量进行定位。该方法需要2个相对航向角呈90°的正交移动AUV通过最少2次与静止目标间通信完成次定位。相比于传统的单移动传感器定位方法,该算法需要的定位周期更短,对同步要求更低。实验结果表明,该方法定位精度有显著提高,同时有效定位区域增大,在长时间定位过程中对AUV位置误差影响更低。

远程水下自主潜航器现状及关键技术研究

水下自主潜航器已经成为水下战争的重要组成力量,势必将在现代战争中发挥越来越重要的作用.立足现有水下自主潜航器发展现状,深入研究发展远程水下自主潜航器的关键技术,希望对我国远程水下自主潜航器的发展起到一定的借鉴作用.

自主式水下潜航器的多声呐测高策略分析

海底地形复杂多变,海底地形的匹配跟踪常采用自主式水下潜航器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)进行。为此,研究对比单声呐误差更小的三声呐地形跟踪策略,通过分析近海底地形的特性,采用彼此间相隔一定角度的三声呐地形感知系统,并对三个单波束声呐所测量的数据进行对比分析。由于AUV采用的是四桨无舵运动模型,研究姿态传感器所对应的姿态角俯仰角、航向角变化规律,结合地形特性,设计AUV航行高度指令的近海底地形跟踪策略。在Matlab/Simulink软件中对搭建的仿真模型进行仿真验证,对比单声呐和三声呐策略的优缺点,并在所得较合理的三声呐安装角度下,通过三声呐建模得出三种海底地形,通过地形建模得出仿真所需要的3种地形波形。

X舵水下潜航器改进滑模控制策略研究

针对具有4个独立方向舵的X舵水下潜航器的姿态控制问题,设计了一种滑模控制方法。通过改进滑模趋近律,调整运动点不同阶段趋近于滑模面的速度,有效缓解了滑模控制的抖振问题。对X方向舵舵力及控制效率矩阵进行了分析,建立X方向舵控制分配方法。通过仿真验证控制方法的有效性,与未改进滑模和PID控制方法相比,该方法在航向和俯仰控制更有效,且在路径跟踪过程中,方向舵控制输入平滑,可有效减轻滑模控制的抖振。

自主式水下无人潜航器导航系统的应用与展望

随着科技的进步,自主式水下无人潜航器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)发展迅猛,被应用于地质勘探、水下目标探测、战场监测及协同组网作战等军民领域中。从实际应用出发,梳理并总结了基于惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)的水下导航技术在AUV上的应用情况,并介绍了地球物理场导航、即时定位与构图(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)导航、视觉导航、仿生导航、协同导航、全源导航等新型导航技术的发展现状。基于未来AUV向多种类、深远海、长航时、智能化的发展趋势,研判了水下导航系统正在向高精度、集成化、小型化、智能化、体系化等方向加速发展。

水下无人航行器的研究现状与展望

随着现代海洋科学和工程的发展,人们对水下无人航行器提出了更高的要求,因此,它也成为一个研究热点;高度智能化、模块化、低功耗长航程、便捷的布放回收是未来发展的必然趋势;高性能外壳材料、高效的能源推进、高精度导航与高可靠的通信和高隐蔽性是制约其发展的关键技术;首先,综述了该领域的研究背景、发展历史、著名的国内外研究机构、典型产品概况、我国的研究现状,包括几款代表性AUV和ROV产品的详细介绍,其中重点介绍了一款大深度AUV和深海作业型ROV的特点与技术难点,还介绍了UUV研究中若干个关键或瓶颈技术,并且逐一分析了每个技术的研究现状及其对UUV的重要意义;接着,对该领域中AUV和ROV未来的发展趋势进行了展望。

基于AUV的声纳水下目标实时探测机制研究

针对传统船载声纳探测水下目标存在成像分辨率低、主观性强、耗时长、应用区域局限,以及自主式水下潜航器(autonomousunderwatervehicle,AUV)受水声通信限制导致数据无法实时回传、处理及目标实时探测的问题,提出了一种基于AUV的声纳水下目标实时探测机制。首先对基于AUV搭载声纳设备实施水下目标探测的系统进行了阐述;然后提出了基于AUV的声纳水下目标实时探测实施流程和关键技术;最后通过海上试验,验证了该机制在一定程度上克服了水声通信限制,实现实时、高效、智能的水下目标探测,具有较强的实际指导意义。

一种基于多波束测深仪的水下同步定位与地图构建方法

数据库辅助导航系统(DBRNS)可以校正惯性导航系统(INS)的累积误差,是自主水下潜航器的重要辅助导航手段,但DBRNS的有效运行依赖于高分辨率的基准图。为解决这一问题,提出一种基于多波束测深仪的图优化同步定位与地图构建(SLAM)方法。该方法在通用图优化SLAM方法的前端部分增加误匹配检测模块,减少了错误闭环对结果造成的不良影响。此外,新方法将局部灰度值编码算法用于闭环检测模块以提高闭环检测的精度。基于真实海底地形图的仿真实验结果表明,相对于通用图优化SLAM方法,采用新方法对INS轨迹进行校正可以取得更高的定位精度。

基于抗差因子图的AUV多源信息融合定位方法

面向AUV搭载的传感器信息频率不一致与有效性易动态改变的情况,因子图算法相较于扩展Kalman滤波算法表现出更好的稳定性、灵活性与扩展性。本文首先比较了FGO与EKF算法分别应用于AUV多传感器信息融合定位的性能,再针对复杂水下环境中,传感器的异常观测值影响FGO算法定位精度的问题,提出了一种基于抗差因子图的AUV多源信息融合定位方法,利用动态协方差缩放策略对粗差因子进行降权处理,在海测数据的基础上模拟观测粗差进行算法验证。分别采用普通FGO算法、基于DCS的抗差FGO算法对受到粗差干扰后的数据进行解算。统计结果表明,相较于不进行抗差处理,该算法降低了14.6%的平面位置误差,对异常观测具有良好的稳健性能。

水下惯性/重力梯度匹配导航综述

水下惯性/重力梯度匹配导航是提高自主水下潜航器导航精度的重要手段。为深入了解水下惯性/重力梯度匹配导航技术的发展现状,综述了重力梯度仪等技术的研究进展,详细分析了惯性/重力梯度匹配导航的基准图构建、适配区选取、匹配算法以及综合校正等关键技术的难点与研究现状,总结了此领域的研究重点。预测了惯性/重力梯度匹配导航技术的发展趋势,指明了技术的耦合性、智能化及实用性是水下惯性/重力梯度匹配导航的重要研究思路,为水下自主导航技术的发展提供参考。

考虑信息滞后的AUV因子图多源信息融合定位算法

针对自主水下潜航器(AUV)搭载的传感器易出现信息滞后的问题,在因子图优化(FGO)算法的基础上,提出考虑信息滞后的多源信息融合定位算法,削弱时延传感器测量信息产生的不良影响。首先构建AUV多源信息融合定位因子图框架,对超短基线(USBL)系统、多普勒测速仪(DVL)进行因子建模,以捷联惯性导航系统(SINS)为主传感器进行状态递推。接收到滞后的传感器信息时,将因子节点连接到因子图模型中对应历史时刻的状态节点,利用非线性优化理论进行状态修正与更新。最后,采集AUV在海洋航行过程中的DVL、SINS数据,利用水面GNSS数据仿真USBL位置观测信息,模拟不同的信息滞后情况进行验证。半实物仿真试验结果表明,在信息滞后1 s的情况下,所提出算法定位精度与无滞后情况相当。与曲线拟合法、丢弃数据法相比,该算法对时延误差的补偿效果更佳。

基于人工势场法的AUV避障算法研究综述

简述了人工势场法的概念,分析了人工势场法的引力和斥力势场模型,指出了人工势场法在应用中存在的水下复杂环境问题、目标不可达问题、局部极小值问题;从考虑复杂障碍物因素和海流因素两方面阐述了水下复杂环境问题的研究现状,从对势场函数进行重新定义或对斥力势场函数进行修正两方面阐述了目标不可达问题的研究现状,从设置虚拟引导点等方面阐述了局部极小值问题的研究现状,并且阐述了几种组合避障算法的研究现状;从构造更完善的势场函数模型、考虑复杂海流因素影响、算法融合以及在算法中加入路径评价机制等方面对人工势场法未来的发展方向进行了展望。

基于动态CAN技术的UUV控制网络设计

针对新一代水下无人潜航器各功能部件间对互联控制网络的通信实时性、网络节点扩展灵活性和网络可靠性的要求,本文研究了基于动态时分复用技术的CAN报文调用策略在UUV系统中的应用方案,并结合CAN协议的错误自检功能设计了具有较高可靠性的冗余式软硬件处理策略,在此基础上构建了UUV系统的内部电气功能控制网络;实验室中通过利用计算机作为总调度机配合4套UUV内部功能部件进行连续工作模式实验,对网络进行168小时不间断测试,测试结果表明本文设计的控制网络较传统UUV控制网络通信平均时延小,小于9ms,功能结构重组灵活,适合于在未来复杂水下自主潜航器控制系统中推广应用。

基于USBL/GPS/TCM的AUV组合导航研究

针对自主无人水下潜航器在执行任务时面临导航手段少、传统航位推算存在定位误差漂移、单一导航方式不足以满足执行水下精确任务的要求等问题,提出了一种基于超短基线水声定位系统、全球卫星定位系统和磁罗盘等传感器组合导航的方法,并对其中涉及的坐标转换进行了详细说明。利用卡尔曼滤波对潜航器的位置进行估计,以获取控制和导航所需的位置信息及速度信息,不存在定位漂移问题,导航定位精度优于10 m,满足自主无人潜航器在水下长时间执行任务的要求。该方法在自主无人水下潜航器上进行了试验验证。

AUV运动控制器CAN通信模块在RT-Thread上的设计与实现

随着自主式水下潜航器(AUV)的功能越来越复杂、智能化程度越来越高,对控制系统软件的可靠性、稳定性、实时性和可维护性要求也越来越高。针对上述问题,设计了基于实时多线程(RT-Thread)操作系统的AUV运动控制器的控制器局域网络(CAN)通信模块。控制器将STM32F407作为硬件平台,实现AUV的航向、深度和航速控制。控制器内部集成有TJA1050收发器和CAN控制器。AUV运动模拟器通过USB CANⅡ分析仪与AUV运动控制器连接,进行通信测试。使用Env工具和STM32CubeMX软件对RT-Thread操作系统裁剪和配置,实现了RT-Thread操作系统的CAN驱动移植和CAN通信软件开发。AUV运动控制器与运动模拟器的对接测试表明,该通信模块有效地提高了控制器的可靠性,满足了设计要求,为实现AUV的长期、有效航行控制奠定了基础。

基于AUV的海洋磁力测量技术现状及误差来源分析

介绍了国内外基于AUV的海洋磁力测量研究现状,针对国内AUV及海洋磁力仪研究相对滞后的情况,以Iver2型AUV开展海洋磁力测量为例,研究了AUV拖曳式海洋磁力测量的噪声检测、位置归算等技术,并与船测数据对比,重点分析了Iver2型AUV拖曳式磁力测量误差来源,结果表明:Iver2型AUV拖曳磁力仪的最佳距离为5 m;观测数据中仍包含位置归算误差、日变改正误差及传感器误差等,以上结论将为我国开展AUV海洋磁力测量技术研究提供参考。

基于改进拉格朗日海洋学模型的AUV运动仿真研究

针对目前水下AUV局限于二维海域、运动影响因素单一而产生的目标不可达问题,在拉格朗日海洋学模型的基础上,提出适用于水下三维环境的AUV运动仿真研究。对传统的二维海域进行升维处理,同时对海洋中可能出现的水下障碍物采用人工势场法进行智能避障,为水下自组织网络路由协议设计提供重要依据。仿真结果表明,AUV实现在三维水下自组织网络的移动轨迹监测,可避开系统设置的多重模拟障碍实现智能避障功能。

基于遗传蚂蚁混合算法的AUV全局路径规划

针对三维空间环境下的全局路径规划问题存在搜索最优解效率不高、时间较长等问题,提出了一种基于遗传蚂蚁混合的算法.该算法对模型进行了必要的简化,合理设计了子区域的划分方法,减少了种群的搜索范围;采用了新的遗传蚂蚁混合策略,提高了两种基本算法的融合效率;依据安全性和时间原则设计了算法的评价函数.三维环境下的仿真结果表明:本算法与已有的遗传蚂蚁混合算法相比,在保持搜索精度的同时,搜索到最优解的时间和迭代次数均有明显减小,具有可行性与合理性.