多USV协同系统研究现状与发展概述

无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)具有较高的智能化程度,较好的隐身性能,较强的机动能力以及较低的造价,被认为是一种作战用途广泛的新概念武器。在无人驾驶运载工具中,USV发展相对较晚,但已逐渐成为一个研究热点课题。文中简述目前国内外USV的研究情况;重点介绍多USV协同系统的现状;阐述高性能艇型、控制体系、通信技术、避碰、任务规划与决策5项关键技术;提出未来发展趋势;展望多USV协同系统在海上补给、水上安全保护、完善无人作战系统、水文气象信息采集和水面搜救方面的应用前景。

基于引导者-跟随者模式的多欠驱动USV分布式控制方法

针对多欠驱动USV协同控制问题,提出一种基于引导者-跟随者模式的多欠驱动USV分布式控制方法。首先,在引导者仅能与一小部分跟随者进行通信、引导者的行为独立于跟随者且影响所有跟随者行为的假设下,考虑了未知恒定干扰对于每艘USV的影响;然后,设计了分布式控制器,对每个跟随者的输出与引导者的输出进行全局渐近同步,并抵消干扰影响,以达到控制目标。理论分析和仿真实验证明:由于考虑了引导者可以是虚拟也可以是真实USV,该方法既可以用于基于虚拟引导者的单USV控制,也可以用于一个引导者和N个跟随者的编队控制。

欠驱动USV实时自主避障路径规划算法

针对未知动态环境下欠驱动USV的多障碍物实时自主规避问题,提出了一种在线避障路径规划算法。算法基于全局路径的引导,充分考虑环境多障碍约束、USV本体运动学与动力学约束、既定航线约束,同时采用多目标函数作为优化函数,通过障碍物运动预测与滚动优化方式进行在线实时避障;之后,通过仿真实验与分析验证了算法的正确性;最后,利用某无人艇对所提避障算法进行湖上实验,结果验证了算法在实际工程应用中的有效性。

面向水下目标搜索的USV&UUV编队协同队形规划

针对异构USV&UUV编队的水下目标搜索效能最大化问题,开展了编队队形规划方法研究。为满足多样化的水下目标探测任务需求,依托USV和UUV各自在通信与水下目标探测方面的特长,将其编组成以USV为中心通信平台、以多UUV为水下目标探测子平台的异构水下目标探测编队。根据声呐方程建立了基于多声呐探测性能评估的概率感知模型,根据水声环境及探测系统参数定量地给出系统对区域内各处目标的探测能力;为应对复杂的水下目标搜索任务需求,提出以搜索正面宽度及编队覆盖面积为优化准则,利用层次分析法的思想,实现了多准则的融合统一;进而,利用粒子群算法,对评估模型中的队形参数寻优。算例结果表明,该方法有效地实现了异构编队多优化准则下的搜索队形的最优规划。该方法可为USV&UUV编队的水下目标搜索队形提供指导。

三体复合动力无人艇的太阳能铺板结构优化

太阳能铺板结构优化有利于解决局部应力、变形过大的问题,对三体复合动力无人艇的研究具有重要意义。本文建立太阳能铺板局部有限元模型,计算原结构的应力和变形量,基于多优化目标综合评估各优化方案的效果,得出最优方案。计算结果表明,所提出的优化方案在不损失布置面积的前提下,使结构最大应力降低了60.2%,最大变形降低了70.52%。该优化方案可大幅度降低太阳能铺板最大应力和变形,解决了局部强度问题,为复合动力无人艇结构设计提供了新的思路。

基于多模复合探测方法的无人艇目标识别研究

随着水面无人艇技术的不断发展和应用,其对于舰船的威胁程度也日益加剧。以末敏弹打击水面无人艇为背景,为了提升多元激光/红外/毫米波探测器对水面小型目标的识别性能,提出了一种基于多通道卷积神经网络(Multi-Channel Convolutional Neural Network,MCCNN)和极端梯度提升决策树(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)的复合探测信号识别方法MCCNN-XGB,同时构建了单通道CNN识别网络与基于人工特征提取的XGBoost识别算法作为对照,最终通过水面目标无人机载探测试验数据对上述三种模型的目标识别性能进行评估与对比。测试结果表明,基于MCCNN-XGB的识别算法表现最佳,测试准确率达到了97.26%。本文所提出的识别方法能够有效进行复合探测信号的特征提取,并且能够降低误识别率与漏识别率,具有较好的识别效果。

可回转多桨推进无人船的运动建模与仿真

可回转多桨推进因机动性好、控制效率高成为无人船重要的推进方式,但其运动控制相对复杂,须对其运动模型进行深入研究。在可回转双桨电力推进船舶的研究基础上,根据船舶分离型运动建模方法,分析可回转四桨推进无人船的运动规律及其在纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的作用力,建立可回转四桨船舶的推进与回转运动模型,导出无人船运动线性响应方程。选取了4种典型的螺旋桨组合工况:①仅船首两桨工作;②仅船尾两桨工作;③四桨同时工作;④仅右舷两桨工作。通过计算机数值仿真,对比了不同工况下无人船的回转能力。仿真结果表明,无人船在工况④下的回转能力最佳,回转半径约为8 m;在工况①下的回转能力最差,回转半径约为50 m。最后通过试验验证了该运动模型的有效性。

多领航者导引无人船集群的分布式时变队形控制

[目的]针对含有模型高度不确定性和未知海洋环境扰动的无人船集群,研究多领航者导引的欠驱动无人船(USV)集群的分布式时变队形控制问题。[方法]首先,在运动学层级,基于包含策略和路径操纵原理,设计时变队形分布式制导律;然后,在动力学层级,针对USV航行中存在的模型不确定性以及未知海洋环境扰动,设计基于扩张状态观测器(ESO)的前向速度和艏摇角速度控制律,减小模型不确定性和未知海洋环境扰动带来的影响;最后,进行级联系统稳定性分析和控制器有效性的仿真验证。[结果]研究表明,无人船集群采用的分布式时变编队闭环控制系统输入状态稳定,仿真结果证明了控制方法的有效性。[结论]所提出的控制器可以使无人船集群形成预定的时变编队队形,并跟踪多领航者形成的凸包。

反无人艇群弹药战斗部参数对效能影响分析

近年来,随着自主感知、自主协同、自主控制技术的快速发展,无人艇群逐渐形成作战能力,而目前尚无高效反无人艇群弹药装备。针对无人艇群作战反制难点,基于末端敏感技术探测,提出利用多爆炸成型弹丸战斗部实施毁伤的炮射弹药方案,采用蒙特卡洛模拟打靶法对弹药作战使用过程进行仿真,重点分析考虑多种因素条件下战斗部飞散角设计方法,研究炮-目距离、目标数量、运动速度和目标尺寸等特性对弹药毁伤效能的影响。仿真计算结果表明,基于末端敏感技术的炮射弹药在反无人艇群作战中具有较高效能,该弹药方案可为我国发展反无人艇群弹药装备提供借鉴和启示。

基于改进DWA的多无人水面艇分布式避碰算法

针对多艘无人水面艇(USV)相遇自主避碰问题,考虑可能存在异常行驶的USV,基于改进动态窗口法(DWA)提出一种包含碰撞风险检测和行驶职责划分的分布式避碰算法.首先,引入障碍物预测轨迹和权重因子改进传统DWA的距离评价函数,提高USV躲避多个动态障碍物的能力,同时,结合国际海上避碰规则(COLREGS)引入新的规则评价函数约束USV的避让动作;然后,引入期望速度和航向改进现有碰撞风险检测算法,减少因碰撞风险变化导致的轨迹波动;接着,针对COLREGS仅规定两船相遇时的行驶职责划分问题,提出一种考虑异常USV的多USV职责划分方法;最后,基于Matlab实现多USV相遇自主避碰仿真.实验结果表明,即使存在异常USV,分布式避碰算法依旧保证正常USV能够作出符合COLREGS的安全避让动作.