潜艇与智能无人水下航行器协同系统控制体系及决策研究

无人作战是未来战争发展的必然趋势,然而,当下无人水下航行器(UUV)的智能水平有限,造成UUV编队在水下网络中心战(UWNCW)中的应用具有局限性。针对以上问题,将人的智能引入智能UUV编队,形成一种潜艇与智能UUV结合的协同系统,分析了系统的优点及复杂性,并对系统的控制体系结构及决策问题等关键技术进行了研究。对系统在突发威胁情况下的航迹规划过程进行了仿真,仿真结果表明潜艇与智能UUV协同系统能够有效地实现避障并能躲避突发威胁,提升了整个系统的应急能力。

基于轨迹线性化控制方法的全驱动自主式水下航行器轨迹跟踪控制

基于轨迹线性化控制(Trajectory Linearization Control,TLC)方法研究了全驱动自主式水下航行器(AUV)的轨迹跟踪控制.利用微分方程奇异摄动理论中的时标分离思想,将全驱动AUV的轨迹跟踪控制系统分成快、慢回路,分别基于轨迹线性化思想设计出快、慢回路控制器;利用Lyapunov稳定性理论对闭环控制系统进行了稳定性分析,通过AUV爬升转弯过程的仿真验证了该控制方法的有效性.

实验室气泡大小的测量

对水中气泡的尺寸特性进行了研究,采用激光全息摄影分析系统对模拟舰船尾流气泡的尺度进行测量。该方法能够较为准确地测量出气泡的尺度分布,与参考文献中提出的尾流气泡尺度分布相比,具有一定的相似性,为实验室准确模拟尾流中的气泡提供了依据。

螺旋桨转速信息辅助水下航行器组合导航研究

研究组合导航技术在自主水下航行器(AUV)导航系统的优化设计问题。由于惯性导航误差影响定位精度,在以低速进行大航程水下航行时,复杂海洋环境可能导致DVL失效,且存在无法在水下持续获取GPS信号的情况。为解决上述问题,提出采用新的测速源即螺旋桨转速信息,用来提供航行器速度,采用卡尔曼滤波方法建立组合导航,并采用matlab仿真,结果表明:螺旋桨转速信息辅助下的组合导航系统,能够减小水下航行器导航定位误差,增强水下导航定位系统的稳定性、可靠性和适应性。

一种自主水下航行器路径规划算法

提出了一种自主水下航行器穿越雷区的路径规划算法。将路径规划分为全局路径规划和局部路径规划两个部分,建立了水雷分布的Voronoi图,采用遗传算法规划出初步的全局最优路径。自主水下航行器按照全局最优路径航行时,利用前视声纳作为探测仪器。根据所测得的障碍物相对于自主水下航行器的位置关系设计出一个模糊推理系统(FIS)求解其避障角度,完成局部路径规划。仿真结果表明了这种算法的有效性。

多机编队队形控制建模及可视化仿真系统设计

针对多机协同作战编队队形控制问题,给出了相应的军事概念模型,提出了基于几何约束的三角形、菱形、主从式等典型树形编队控制模型,并通过可视化仿真技术,构建了可用于制定试飞方案的可视化仿真验证环境。验证结果表明基于该编队队形控制的算法可用于简单的模拟飞行操作和战术对抗、验证飞机模型。

一种用于水下声成像的旁瓣抑制方法

针对水下声成像易受到非成像目标强干扰影响这一情况,研究了一种采用不等间隔阵,并进行孔径变迹处理的旁瓣抑制方法。以等间隔阵为出发点,根据期望的具有低旁瓣的波束指向性求解出可实现此期望的阵列排布,通过对等间隔阵的阵元间距进行微调实现期望的不等间隔阵,在此基础上,采用发射孔径为恒定全孔径,接收孔径可变的孔径变迹处理方法,从而达到抑制旁瓣的目的。仿真结果表明,该方法较相同阵元数的等间隔阵,具有很好的旁瓣抑制效果,且主瓣仅有小量的展宽。

一种欠驱动AUV模型预测路径跟踪控制方法

本文针对欠驱动自主水下航行器(AUV)的约束路径跟踪问题,设计了一种模型预测路径跟踪控制器。首先定义路径参数的二阶导数作为路径虚拟控制律,并将参考路径的模型扩展到AUV路径跟踪预测模型;然后采用非线性模型预测控制设计了欠驱动AUV的约束路径跟踪控制律,通过对约束优化问题的滚动求解,得到满足约束的扩展控制输入。最后采用REMUS AUV的模型参数对提出的控制律进行了仿真研究,结果说明了控制器在显式处理约束的同时,表现出良好的跟踪效果。

基于组合的水下武器对抗仿真系统开发研究

针对当前水下武器对抗仿真系统存在费用高、开发周期长、效率低下的问题,提出了基于本体技术的仿真系统可组合开发方法,详细地描述了开发流程的几个环节,包括概念模型的建立、概念的模型解析、模型搜索、匹配和组合等几个环节,建立了相应的仿真组件本体库;在语法和予以搜索、匹配和组合的基础上,实现作战实体仿真组件的重用和组合,通过实例验证了组合的有效性,达到了降低开发费用、缩短开发周期、提高仿真系统开发效率的目的。

基于SYSNOISE的水下目标高频近场散射特性仿真研究

针对水下目标高频近场散射特性,提出了一种求解水下复杂目标散射声场的方法。首先根据边界元法建立了水下目标的声场数学模型,并借助有限元软件ANSYS建立一种水下目标结构体的三维模型,然后运用声学分析软件SYSNOISE对其高频近场特性进行了仿真及分析,得到了在声源激励下该目标散射近场的具体分布及其散射波声压的指向性。仿真结果验证了该方法的正确性。

水下战视景仿真系统建模及实时场景渲染方法

针对水下对抗建模中随机误差加入的合理性及复杂环境实时细致再现的问题,提出了一种基于高层体系结构(high level architecture,HLA)和军用仿真平台Flames构建一个可定制、可重用的水下对抗视景系统的设计方法,引入基于分形布朗运动(fractional Brownian motion,fBm)特征约束的随机误差来构建仿真模型,同时开发出基于开放场景图(open scene graph,OSG)视景引擎的海面和水下空间,充分利用图形处理单元(graphicprocessing unit,GPU)实现海面和海底地形等的快速纹理映射及渲染。该系统能适应潜-舰、直升机-潜等多种水下对抗样式的视景仿真需求。实际应用结果表明,该系统具有较好的实时性和视觉效果。

基于Monte-Carlo辐射模型的水下光场绘制技术研究

过去的几十年中人们提出许多处理光照及阴影的方法,但这些常规方法大都致力于生成空气介质中真实感的三维动画,而对传统的水下光场及光影的动态效果建模问题研究较少。给出一个水下光场及流动光影效果的计算机模型。该模型从海洋水体的光传输物理特性,然后根据该特性给出Monte-Carlo模型,通过研究风海波下光的干涉现象及漫射现象,建立水下光场的二三维可视化模型,基于改进的全局光照及辐射度模型实时计算出阴影的流动效果。此外,还给出了生成三维水下光场及动态光影的方法及相应的游戏动画图例。

一种利用非正弦信号的水下声成像方法

针对多波束成像声呐在基阵设计时需要考虑避免出现栅瓣的问题,提出了一种利用非正弦信号进行水下声成像的方法.该方法首先对基阵接收信号进行相关处理,然后提取相关信号的包络进行波束形成来成像.以矩形包络为例,研究结果表明,该方法形成的波束不会出现栅瓣,避免了选取阵元间距时必须小于或等于载波半波长的限制,与传统利用正弦载波的成像方法相比,可以有效地提高成像分辨率,且无旁瓣.利用所提方法分别对点目标和体目标的成像进行了计算机仿真实验,得到了很好的成像效果.

自主水下航行器组合导航一体化仿真系统开发

AUV组合导航系统的研究,需要借助于仿真手段进行初步试验和算法验证。采用面向对象技术和模块化的设计思路开发远航程自主水下航行器组合导航一体化仿真软件系统,该一体化仿真软件分为仿真初始参数设置子系统,导航子系统,控制子系统,各子系统根据工作原理设计模块接口,具有建模、仿真、试验的一体化功能。仿真实验结果表明,该组合导航仿真软件系统可为AUV组合导航系统提供初步的仿真调试和实验验证环境,能够为半实物仿真及实物研制提供重要的参考信息。

水下武器仿真系统的可组合性

针对水下武器对抗仿真系统(Underwater Weapon Confrontation Simulation System,UWCSS)的特点,分析了UWCSS的层次,提出了针对水下武器对抗仿真系统可组合的形式化方法。系统研究了仿真实体及其属性、实体关系、实体的内行为、实体之间的交互以及仿真过程的形式化描述问题,为水下武器对抗仿真系统的组合性开发提供了理论支撑。

水下目标声图像特征分析与二次处理

水声环境极其复杂,多途、混响等因素对水中传播的声信号造成的畸变,使得水下目标声成像的分辨率和清晰度受到很大影响。在总结水声目标声图像特征的基础上,深入开展了水声目标图像增强、图像处理的研究,主要内容包括:水声目标图像特征分析、目标图像的二次处理方法、图像处理仿真研究等内容。在图像增强处理的过程中,采用Sobel算子、Prewitt算子、LOG算子和Canny算子。仿真结果显示处理后的水声图像其轮廓比较清晰,图像质量得到了改善,为鱼雷通过图像识别目标要害部位并实施精确打击奠定了基础。

水下弹性球壳回波特性的仿真研究

水下弹性球壳回波特性的研究对水下目标特征提取和识别具有重要意义。利用弹性理论和分离变量法导出弹性球壳散射声场的Rayleigh简正级数解,得到其反向散射波形态函数。由形态函数计算了高斯脉冲入射到弹性球壳的回波波形,并建立了水下弹性球壳回波特性的数学模型。通过对弹性球壳形态函数和回波结构的仿真,分析比较了不同材料和不同厚度的弹性球壳形态函数和回波特性,并讨论了水下弹性球壳回波特性的影响因素。结果表明,水下弹性球壳的回波特性与球壳材料、球壳厚度和入射信号等因素有关。

基于HLA的水下战仿真系统统计仿真技术

为了解决网络环境下水下战分布交互仿真系统的统计仿真问题,针对 HLA 技术及体系结构的特点,研究了数据采集方案、联邦同步和超实时仿真等关键技术,并提出一种表格法的数据分发策略以提高网络数据传输效率,进而实现了统计仿真的自动化。实践表明,该项技术的研究在改进分布交互仿真系统设计方面具有应用价值。

水下目标回波信号的分形Brown运动随机特征矢量与分类

在研究水下目标回波信号的统计性质的基础上 ,给出以分形 Brown运动小波均方展开式中随机系数的方差作为目标回波信号随机矢量特征 ,以模糊竞争网络作为分类器对目标进行分类的方法 ;并给出了该方法的计算方法和计算步骤。大量模拟计算结果和实测目标回波信号的分类结果表明 ,新方法具有较好的实时性和较高的识别率。

Agent战场视景仿真视点智能控制方法

为了实现战场视景仿真中视点的智能控制,使视点能够自动选择运动方式,根据场景中发生的热点事件自动切换观察目标并且自动调整观察位置及角度,将Agent的思想引入视点控制策略的设计,提出了一种基于Agent的战场视景仿真视点的智能控制方法,针对热点事件搜索智能体、观察目标选择智能体和观察方式控制智能体的智能体行为算法,以及多Agent协调的视点智能控制等关键技术进行了深入研究。基于Agent的战场视景仿真视点智能控制能够在仿真过程中合理切换视点的观察目标并控制视点的观察方式,减少了仿真人员手工操作视点的工作,使视景仿真的场景和视点切换更加自然而且信息丰富。