CN105758405B - 一种适用于高海况的uuv跟踪母船航迹规划方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，本发明涉及适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法。本发明的目的是为了解决现有UUV回收受海况影响大，通信声呐数据传输受海洋环境影响大，通信不稳定，无法完全接收母船发送的所有位置信息，而且海洋地理情况复杂的问题。一、定义第四级航迹规划；定义第三级航迹规划；第二级航迹规划；定义第一级航迹规划；二、当第一级存在，输出第一级航迹规划的结果；当第一级无航迹输出，第二级输出航迹时，输出第二级航迹规划结果；当一、二级均无航迹输出，第三级航迹规划有输出，输出第三级航迹规划结果；否则输出第四级航迹规划结果。本发明应用于UUV跟踪母船航迹规划领域。

Description

一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法

技术领域

本发明涉及适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法。

背景技术

目前投入使用的UUV回收方式大部分是采用水面起吊回收方式，该种回收方式受海况影响大，当海况恶劣时(4级及以上海况)，回收母船摇摆幅度较大，对UUV的水面起吊回收非常困难。目前海况预测能力有限，在近岸作业或者试验时，经常因为海况恶劣无法满足UUV回收时的海况要求而被迫更改工作计划，造成时间延误。而且随着续航能力的提高，在使用UUV的时候可能遇到这样的情况，例如，UUV布放的时候，布放点海况较好，计划UUV完成任务后在海上某区域上浮回收，可是因为UUV执行任务时间周期长，气象条件变得恶劣，海区高海况，无法实施水面起吊回收，这种情况下如果继续让UUV在海上滞留，一方面可能漂泊不定撞到来往船只，另一方面也可能在看守不利情况下漂走丢失造成巨大经济损失。

目前常用的母船与水下航行状态UUV通信技术为通信声呐技术，其中通信声呐数据传输受海洋环境影响大，通信不稳定，或者无法接收母船发送的位置信息，而且海洋地理情况复杂，存在暗礁、岛屿等碍航物。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有UUV回收受海况影响大，通信声呐数据传输受海洋环境影响大，通信不稳定，无法完全接收母船发送的所有位置信息，而且海洋地理情况复杂，存在暗礁、岛屿等碍航物的问题，而提出一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、根据母船航行计划和海图标示信息定义第四级航迹规划；根据母船更改航行终点信息定义第三级航迹规划；根据母船间隔发送的位置信息定义第二级航迹规划；根据碍航物信息定义第一级航迹规划；

步骤二、四级航迹规划中，优先级为第一级最高，依次降低。UUV和母船航行过程中，某个时间段，当第一级航迹规划存在输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第一级航迹规划的结果；

当第一级航迹规划无航迹输出，第二级航迹规划输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第二级航迹规划结果；

当一、二级航迹规划均无航迹输出，第三级航迹规划有输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第三级航迹规划结果；否则UUV航迹规划系统输出第四级航迹规划结果。

发明效果

本发明提出的一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，利用母船的引导，UUV跟踪母船航行至一个避风的区域(避风港或者海岛背风面)，然后按传统的水面起吊回收方式进行回收，这样可以完全避免海况对UUV回收的制约，能够实现在4级及以上海况下对UUV的回收，实用价值大；在航行的过程中还存在海洋气象条件更改的情况，当海洋气象条件变更时，可以任意变更UUV跟踪母船航行的终点，适用性强，可以解决变更航行终点航行的跟踪问题。解决目前UUV在高海况下难以直接采取传统水面起吊方式回收的问题。

本发明设计的UUV跟踪母船航迹规划方法解决了通信声呐数据传输受海洋环境影响大，通信不稳定，无法完全接收母船发送的所有位置信息的问题，可靠性高；同时还解决了在航行过程中遭遇暗礁、岛屿等碍航物航行安全的问题。总结起来，本发明设计的UUV跟踪母船航迹规划方法实用价值大、适用性强、可靠性高且安全性好。

附图说明

图1为第四级航迹规划示意图；

图2为第三级航迹规划示意图；

图3为第一级航迹规划示意图；

图4为航迹规划系统内部工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、根据母船航行计划和海图标示信息定义第四级航迹规划；根据母船更改航行终点信息定义第三级航迹规划；根据母船间隔发送的位置信息定义第二级航迹规划；根据碍航物信息定义第一级航迹规划；

步骤二、四级航迹规划中，优先级为第一级最高，依次降低。UUV和母船航行过程中，某个时间段，当第一级航迹规划存在输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第一级航迹规划的结果；

当第一级航迹规划无航迹输出，第二级航迹规划输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第二级航迹规划结果；

当一、二级航迹规划均无航迹输出，第三级航迹规划有输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第三级航迹规划结果；否则UUV航迹规划系统输出第四级航迹规划结果。

其中，所述高海况指4级及以上的海况。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中根据母船航行计划和海图标示信息定义第四级航迹规划；具体过程为：

步骤一一、UUV(水下无人航行器)执行跟踪母船任务开始前，利用无线电向母船发送目前UUV电量信息；

步骤一二、母船根据航行目的(引导UUV去某避风区域回收或者执行某种作业任务)及目前UUV电量信息，确定母船航行终点，并制定母船航行计划，母船航行计划包括航速、航向、航行深度、拐点等；

根据制定的母船航行计划结合海图标示的岸形、岛屿、礁石、水深等信息对UUV进行全局航迹规划；

在开阔的海域，航迹点可以设置的较为稀疏，在地理条件复杂的海域，航迹点需设置的相对密集，这是充分利用海图标示的信息规划的结果，这样可以极大的减少UUV第一级航迹规划的工作量。为了避免近水面波浪造成UUV的速度损失，UUV将采取水下航行的方式。母船上通信声呐发射基阵，超短基线发射基阵与接收基阵的吊放深度，以及UUV的航行深度依据CTD测量的水文条件而定，其中UUV航行深度要大于基阵吊放深度的最大值，并预留安全深度差，在保证安全的基础上，尽可能接近基阵吊放深度，以保证良好的通信与测量水文条件。

步骤一三、母船通过无线电将全局航迹规划规划的航迹(包括CTD确定的航行深度)发送给UUV，UUV接收到规划的航迹后，开始按规划的航迹航行，定义为第四级航迹规划；即UUV跟踪母船航行开始前的全局航迹规划。

该级航迹规划，实际上是由人工进行全局航迹规划传输给UUV，UUV的规划是一个单向接收。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一中根据母船更改航行终点信息定义第三级航迹规划；具体过程为：

母船和UUV航行过程中，母船更改航行终点时，UUV已处于水下航行状态，母船将会通过通信声呐给UUV发送最新的终点位置信息，由UUV完成当前起点至母船最新的终点的全局航迹规划，定义为第三级航迹规划，即变更终点后的全局航迹规划。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述第三级航迹规划的具体过程为：

第三级航迹规划采用最短水平距离原则进行航迹规划，假定母船更改航行终点后的航行终点为(x_UUV终，y_UUV终)，当前UUV坐标为(x_UUV起，y_UUV起，h)，则第三级航迹规划的航迹为从当前UUV坐标起点到母船更改航行终点后的航行终点正下方h处的一条直线，即连接(x_UUV起，y_UUV起，h)与(x_UUV终，y_UUV终，h)的直线航迹；

其中，x为横坐标(指向正东方向)；y为纵坐标(指向正北方向)；h为航行深度。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述从当前UUV坐标起点到母船更改航行终点后的航行终点正下方h处的一条直线，即连接(x_UUV起，y_UUV起，h)与(x_UUV终，y_UUV终，h)的直线航迹分以下几种情况：

当x_UUV终-x_UUV起＝0时：

式中，*为乘号，q为中间变量，m为中间变量；k为航迹点序号，取值为正整数；

当y_UUV终-y_UUV起＝0时：

当x_UUV终≠x_UUV起且y_UUV终≠y_UUV起时，分两种情况进行处理：

当时：

当时：

其中(x_k，y_k)为第三级航迹规划的第k个航迹点的位置坐标。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤一中根据母船间隔发送的位置信息定义第二级航迹规划；具体过程为：

航行过程中，母船通过GPS获取母船的绝对位置信息，通过超短基线测量装置获得UUV相对母船的方位与距离；母船按照一定的时间间隔(例如5分钟)将获取的当前自身绝对位置信息以及UUV相对母船的方位与距离发送给UUV，UUV利用接收到的母船绝对位置信息以及UUV相对母船的方位与距离信息计算处理得到自身的绝对位置信息，及母船相对UUV的方位距离；UUV利用计算得到的自身的绝对位置信息进行位置校准，消除UUV惯导系统导航过程中产生的累积误差；同时UUV利用母船相对UUV的方位距离进行在线航迹规划，定义为第二级航迹规划，针对UUV对母船的实时动态跟踪；

其中，所述一定的时间间隔为人为设置。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述UUV利用接收到的母船自身绝对位置信息以及UUV相对母船的方位与距离信息计算处理得到自身的绝对位置信息公式为：

其中(x_母，y_母)表示母船通过GPS(或者北斗卫星系统)获取的母船自身绝对位置信息，(ρ，θ)代表母船测得UUV相对母船的方位与距离信息；(x_uuv，y_uuv)为UUV的绝对位置横坐标与纵坐标。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤一中根据碍航物信息定义第一级航迹规划；具体过程为：

当UUV在航行过程中，其避碰声呐探测到碍航物，UUV发现按现在的航迹航行将会触碰碍航物，则以处于碍航物外部(距离碍航物外表面l米(l为UUV的尺度参数，UUV跟踪任务开始前由人工进行设定)范围外)的下一个航迹点为局部期望点，进行局部避障航迹规划(采用人工势场法)，以绕开碍航物，局部避障航迹规划定义为第一级航迹规划，即针对安全避障；

所述下一个航迹点为：当第二级航迹规划的结果存在，则采用第二级航迹规划的航迹点；

当第二级航迹规划的结果不存在，第三级航迹规划的结果存在则采用第三级航迹规划的航迹点；

当第二、三级航迹规划的结果均不存在，第四级航迹规划的结果存在则采用第四级航迹规划的航迹点。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法具体是按照以下步骤制备的：本发明的方法是这样实现的，假定4级以上海况条件：

第一步：UUV执行跟踪母船任务开始前，利用无线电向母船发送目前电量信息。

第二步：母船根据UUV电量信息及航行目的(引导UUV去某避风区域回收)，确定航行终点，并制定航行计划(航速、航向，拐点等)。根据拟定的航行计划并结合海图标示的信息对UUV进行全局航迹规划。规划的航迹为图1所示，在开阔的海域，航迹点较为稀疏，在地理条件复杂的海域，航迹点变得相对密集，这是充分利用海图标示信息规划的结果，这样可以极大的减少UUV第一级航迹规划的工作量。为了避免近水面波浪造成UUV的速度损失，UUV将采取水下航行的方式。母船上通信声呐发射基阵，超短基线发射基阵与接收基阵的吊放深度，以及UUV的航行深度依据CTD测量的水文条件而定，其中UUV航行深度要大于基阵吊放深度的最大值，并预留安全深度差，在保证安全的基础上，尽可能接近基阵吊放深度，以保证良好的通信与测量水文条件。

第三步：母船通过无线电将规划的航迹(包括CTD确定的航行深度)发送给UUV，UUV接收到规划航迹后，开始按规划航迹航行。我们把它定义为第四级航迹规划，该级航迹规划实际上是在母船上由人工进行全局航迹规划后传输给UUV，UUV的规划是一个单向接收。

第四步：图2为第三级航迹规划示意图，即变更终点的全局航迹规划。航行过程中，母船可能更改航行计划，而此刻UUV已处于水下航行状态，母船将会通过通信声呐给UUV发送最新的终点位置信息，由UUV完成当前起点至终点的全局航迹规划，我们把它定义为第三级航迹规划。

第五步：航行过程中，母船通过GPS获取母船的绝对位置信息，通过超短基线测量装置获得UUV相对母船的方位与距离。母船按照一定的时间间隔，例如每间隔五分钟，将获取的当前自身绝对位置信息以及UUV相对母船的方位与距离发送给UUV，UUV利用接收到的位置信息可以计算处理得到自身的绝对位置信息，及母船相对UUV的方位距离。UUV利用接收到的绝对位置信息进行位置校准，可以消除惯导系统导航过程中产生的累积误差。同时UUV利用母船相对UUV的方位距离进行在线航迹规划，定义为第二级航迹规划。

第六步：图3为避障局部航迹规划即第一级航迹规划示意图。当UUV在航行过程中，其避碰声呐探测到碍航物，UUV发现按现在的航迹航行将会触碰碍航物，则以碍航物外部距离碍航物外表面l米范围外的下一个航迹点(当第二级航迹规划的航迹存在，则采用第二级航迹规划的航迹点，否则如果第三级航迹规划的航迹存在则采用第三级航迹规划的航迹点，第二、三级航迹规划均无输出时，则采用第四级航迹规划的航迹点)为局部期望点，采用人工势场法进行局部避障航迹规划，以绕开碍航物，局部避障航迹规划我们定义为第一级航迹规划。

第七步：图4为UUV航迹规划系统内部工作流程图。四级航迹规划中，优先级为第一级最高，依次降低。航行过程中，某个时间段，当第一级航迹规划存在输出航迹时，航迹规划系统输出第一级航迹规划的结果；当第一级航迹规划无航迹输出，第二级航迹规划输出航迹时，航迹规划系统输出第二级航迹规划结果；当一、二级航迹规划均无航迹输出，第三级航迹规划有输出航迹时，航迹规划系统输出第三级航迹规划结果；否则航迹规划系统输出第四级航迹规划结果。

第八步：UUV按航迹规划系统输出的规划航迹航行，以此实现对母船的动态跟踪。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，其特征在于一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、根据母船航行计划和海图标示信息定义第四级航迹规划；根据母船更改航行终点信息定义第三级航迹规划；根据母船间隔发送的位置信息定义第二级航迹规划；根据碍航物信息定义第一级航迹规划；

步骤二、UUV和母船航行过程中，当第一级航迹规划存在输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第一级航迹规划的结果；

当第一级航迹规划无航迹输出，第二级航迹规划输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第二级航迹规划结果；

当一、二级航迹规划均无航迹输出，第三级航迹规划有输出航迹时，UUV航迹规划系统输出第三级航迹规划结果；否则UUV航迹规划系统输出第四级航迹规划结果；

所述步骤一中根据母船航行计划和海图标示信息定义第四级航迹规划；具体过程为：

步骤一一、UUV执行跟踪母船任务开始前，利用无线电向母船发送目前UUV电量信息；

步骤一二、母船根据航行目的及目前UUV电量信息，确定母船航行终点，并制定母船航行计划，母船航行计划包括航速、航向、拐点；

根据制定的母船航行计划结合海图标示的岸形、岛屿、礁石、水深信息对UUV进行全局航迹规划；

步骤一三、母船通过无线电将全局航迹规划规划的航迹发送给UUV，UUV接收到规划的航迹后，开始按规划的航迹航行，定义为第四级航迹规划。

2.根据权利要求1所述一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，其特征在于：所述步骤一中根据母船更改航行终点信息定义第三级航迹规划；具体过程为：

母船和UUV航行过程中，母船更改航行终点时，UUV已处于水下航行状态，母船将会通过通信声呐给UUV发送最新的终点位置信息，由UUV完成当前起点至母船最新的终点的全局航迹规划，定义为第三级航迹规划。

3.根据权利要求2所述一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，其特征在于：所述第三级航迹规划的具体过程为：

第三级航迹规划采用最短水平距离原则进行航迹规划，假定母船更改航行终点后的航行终点为(x_UUV终，y_UUV终)，当前UUV坐标为(x_UUV起，y_UUV起，h)，则第三级航迹规划的航迹为从当前UUV坐标起点到母船更改航行终点后的航行终点正下方h处的一条直线，即连接(x_UUV起，y_UUV起，h)与(x_UUV终，y_UUV终，h)的直线航迹；

其中，x为横坐标；y为纵坐标；h为航行深度。

4.根据权利要求3所述一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，其特征在于：所述从当前UUV坐标起点到母船更改航行终点后的航行终点正下方h处的一条直线，即连接(x_UUV起，y_UUV起，h)与(x_UUV终，y_UUV终，h)的直线航迹分以下几种情况：

当x_UUV终-x_UUV起＝0时：

式中，*为乘号，q为中间变量，m为中间变量；k为航迹点序号，取值为正整数；

当y_UUV终-y_UUV起＝0时：

当x_UUV终≠x_UUV起且y_UUV终≠y_UUV起时，分两种情况进行处理：

当时：

当时：

其中(x_k，y_k)为第三级航迹规划的第k个航迹点的位置坐标。

5.根据权利要求4所述一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，其特征在于：所述步骤一中根据母船间隔发送的位置信息定义第二级航迹规划；具体过程为：

航行过程中，母船通过GPS获取母船的绝对位置信息，通过超短基线测量装置获得UUV相对母船的方位与距离；母船按照一定的时间间隔将获取的当前自身绝对位置信息以及UUV相对母船的方位与距离发送给UUV，UUV利用接收到的母船绝对位置信息以及UUV相对母船的方位与距离信息计算处理得到自身的绝对位置信息，及母船相对UUV的方位距离；UUV利用计算得到的自身的绝对位置信息进行位置校准，消除UUV惯导系统导航过程中产生的累积误差；同时UUV利用母船相对UUV的方位距离进行在线航迹规划，定义为第二级航迹规划。

6.根据权利要求5所述一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，其特征在于：所述UUV利用接收到的母船自身绝对位置信息以及UUV相对母船的方位与距离信息计算处理得到自身的绝对位置信息公式为：

其中(x_母，y_母)表示母船通过GPS获取的母船自身绝对位置信息，(ρ，θ)代表母船测得UUV相对母船的方位与距离信息；(x_uuv，y_uuv)为UUV绝对位置的横坐标与纵坐标。

7.根据权利要求6所述一种适用于高海况的UUV跟踪母船航迹规划方法，其特征在于：所述步骤一中根据碍航物信息定义第一级航迹规划；具体过程为：

当UUV在航行过程中，其避碰声呐探测到碍航物，UUV发现按现在的航迹航行将会触碰碍航物，则以处于碍航物外部的下一个航迹点为局部期望点，进行局部避障航迹规划，以绕开碍航物，局部避障航迹规划定义为第一级航迹规划；

所述下一个航迹点为：当第二级航迹规划的结果存在，则采用第二级航迹规划的航迹点；

当第二级航迹规划的结果不存在，第三级航迹规划的结果存在则采用第三级航迹规划的航迹点；

当第二、三级航迹规划的结果均不存在，第四级航迹规划的结果存在则采用第四级航迹规划的航迹点。