CN107065882B - 一种usv水面动态自主回收uuv的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种USV水面动态自主回收UUV的方法，包括以下步骤：USV以固定速度驶向UUV，UUV保持原地待机；USV根据进入回收圆的限象，解算出其要跟踪的虚拟USV的初始位置点；进行虚拟USV的运动解算，USV跟踪虚拟USV；UUV保持原地待机；USV进入激活圆后，USV保持当前航向和航速航行，并通过无线电向UUV发送激活指令；UUV接收激活指令后，进行虚拟UUV的运动解算，并开始跟踪虚拟UUV；UUV进入对接圆后，释放对接机构，同时通过无线电通知USV释放对接结构；UUV与USV通过对接机构进行对接，回收完成。本发明可根据现场态势完全自主的采取回收机动策略，实现UUV的自主回收。

Description

一种USV水面动态自主回收UUV的方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)的回收方法，具体的是一种利用水面无人航行器(Unmanned Surface Vehicle，USV)水面动态自主回收UUV的方法。

背景技术

UUV是一种可重复使用的海洋工具，UUV执行完使命任务后是必须要进行回收的，因此对UUV进行安全回收是UUV使用的一个关键环节。目前UUV的回收主要有水面回收和水下回收两种方式。对于水面回收，通常是将UUV回收到有人水面船上，整个回收过程是通过人工操作完成的。然而，随着海上无人系统的快速发展，出现了USV和UUV两个海上无人系统协同作业的应用方式。由于USV的体积大、速度快，因此可利用USV携带UUV执行使命任务，USV携带UUV航渡至任务区域后将UUV布放入水，然后USV和UUV各自进行作业任务。待任务执行完成后，USV对UUV进行回收后返航。USV和UUV从航渡、布放、作业、回收的整个过程都是无人干预、自主完成的。特别地，对于USV回收UUV来说，要实现在动态条件下、完全自主、安全可靠的完成整个回收过程，是具有一定难度的。

申请号为201610104470.1的专利文件中公开了一种“基于鲁棒约束模型预测控制的UUV对线控位回收方法”，主要解决水下母船背驮式搭载UUV的自主回收方法。首先该专利是利用水下母船进行UUV的水下回收，与本发明的利用USV进行水面回收不同。其次该专利重点解决以水下背驮式搭载回收UUV的控制方法，与本发明重点解决USV和UUV相互配合进行回收的机动策略和航行方法不同。

申请号为201310639638.5的专利文件中公开了“一种自治水下航行器的回收系统及其回收方法”，主要解决工作人员位于母船上实现回收水下航行器的装置和方法。该专利虽然是水面母船回收，但是母船是有人的，而且回收过程是人工操作完成的，与本发明利用USV进行无人干预的、水面自主回收不同。其次该专利重点是提出了一种安装在水面母船上的A型架、起吊锁等为主要设备的回收装置以及人工操作该装置回收UUV的方法，与本发明重点解决USV和UUV相互配合进行回收的机动策略和航行方法不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要人为干预，USV和UUV可根据现场态势完全自主的采取回收机动策略航行，完成USV水面动态自主回收UUV的方法。

一种USV水面动态自主回收UUV的方法，包括以下步骤，

步骤一：UUV和USV在水面待机，UUV向USV发送回收请求，启动回收过程；

步骤二：USV以固定速度驶向UUV，UUV保持原地待机；

步骤三：判断USV是否进入回收圆，如果进入回收圆转步骤四，否则转步骤二；

步骤四：USV根据进入回收圆的限象，解算出其要跟踪的虚拟USV的初始位置点p_{f_v_usv}，UUV保持原地待机；

步骤五：虚拟USV的运动是从初始位置点p_{f_v_usv}，按照顶风航向，沿直线航行；进行虚拟USV的运动解算，得到虚拟USV的位置，USV跟踪虚拟USV；UUV保持原地待机；

步骤六：判断USV是否进入激活圆，如果没有进入激活圆转步骤五，否则转步骤七；

步骤七：USV保持当前航向和航速航行，并通过无线电向UUV发送激活指令；

步骤八：UUV接收激活指令后，进行虚拟UUV的运动解算，得到虚拟UUV的位置，并开始跟踪虚拟UUV；

步骤九：判断UUV是否进入对接圆，如果没有进入对接圆转步骤八，否则转步骤十；

步骤十：UUV释放对接机构，同时通过无线电通知USV释放对接结构；

步骤十一：UUV与USV通过对接机构进行对接，回收完成。

本发明一种USV水面动态自主回收UUV的方法，还可以包括：

1、所述的步骤二中，USV以固定速度驶向UUV的航向指令和速度指令为：

U_{usv_cmd}(t)＝U_{usv_c}

其中，ψ_{usv_cmd}(t)表示USV的航向指令；

是UUV的位置点坐标，通过UUV上的GPS传感器测量得到；

是USV的位置点坐标，通过USV上的GPS传感器测量得到；U_{usv_cmd}(t)表示USV的航速指令；U_{usv_c}为设定的USV固定航速。

2、所述的步骤三中，判断USV是否进入回收圆的条件为：

如果满足条件则USV进入回收圆；

其中，d_usvTOuuv(t)表示USV到UUV的距离；R_homing表示回收圆的半径，取UUV和USV体长和的5倍。

3、所述的步骤四中，解算出虚拟USV的初始位置点p_{f_v_usv}的方法为：

以UUV所在位置为原点，建立北东直角坐标系，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个限象；其中，东北为第Ⅰ象限、东南为第Ⅱ象限、西北为第Ⅲ象限、西南为第Ⅳ象限；如果USV从第Ⅰ限象进入回收圆，那么令

如果USV从第Ⅱ限象进入回收圆，那么令

如果USV从第Ⅲ或第Ⅳ限象进入回收圆，那么令

且有L＝3×L_uuv，L_uuv为UUV的体长。

4、所述的步骤五中，进行虚拟USV的运动解算，得到虚拟USV的位置

其中，p_{v_usv}(t)表示t时刻虚拟USV的位置点，且有

为虚拟USV的位置点坐标；α_w是迎风角，且有α_w＝α_wind+π，α_wind为风向角，可由USV上的风向传感器测得；

为虚拟USV运动参考量，且有

进一步得到，USV跟踪虚拟USV的航向指令和速度指令为：

5、所述的步骤六中，判断USV是否进入激活圆的条件为：

满足条件则认为USV进入激活圆；

其中，d_{usvTOv_usv}(t)表示USV到虚拟USV的距离；R_active表示激活圆的半径。

6、所述的步骤八中，进行虚拟UUV的运动解算，得到虚拟UUV的位置为：

其中，p_{v_uuv}(t)表示虚拟UUV的位置点，且有

为对接点，为USV上释放出对接机构后对接机构的位置点，随USV的运动而运动，

为对接点坐标；

称为虚拟UUV运动参考量；ψ_usv(t)表示USV的实际航向角，通过UUV上的罗经传感器测量得到；

进一步得到，UUV跟踪虚拟UUV时的航向指令和速度指令为：

U_{uuv_cmd}(t)＝U_{uuv_max}·ρ_usv(t)·ρ_uuv(t)

其中，ψ_{uuv_cmd}(t)表示UUV的航向指令；U_{uuv_cmd}(t)表示UUV的航速指令；U_{uuv_max}表示UUV的最大航行速度，是恒定值；ρ_usv(t)表示与USV相关的衰减系数；ρ_uuv(t)表示与UUV相关的衰减系数。

7、所述的步骤十中，判断UUV是否进入对接圆的条件为：

满足条件则认为UUV进入对接圆；

其中，d_{uuvTOv_uuv}(t)表示UUV到虚拟UUV的距离；R_docking表示对接圆的半径。

8、所述的对接点p_d(t)为：

其中，l_d是USV的重心到对接机构的位置点的长度，p_usv(t)为USV当前的位置；

虚拟UUV运动参考量

的为：

其中，U_uuv(t)表示UUV的实际航行速度，通过UUV上的DVL测量得到。

9、所述的与USV相关的衰减系数ρ_usv(t)和与UUV相关的衰减系数ρ_uuv(t)为：

其中：

称为虚拟USV调节量；

称为虚拟UUV调节量。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明根据回收态势设计了虚拟USV和虚拟UUV的运动策略，然后通过使USV跟踪虚拟USV以及使UUV跟踪虚拟UUV，完成USV和UUV精确回收航行机动，可以实现动态条件下、无人干预、安全可靠的USV自主回收UUV。

2.本发明在USV和UUV的回收机动航行时，考虑了风对回收的影响，使整个回收过程均顶风进行，而顶风航行是利于USV和UUV的航向稳定，可以提高回收的快速性和安全性。

3.本发明中USV和UUV的指令解算以及虚拟USV和虚拟UUV的运动解算所用到的信息量少、计算简单、易于工程实现。

附图说明

图1USV回收UUV的示意图；

图2USV水面动态回收UUV的流程图；

图3回收圆和虚拟USV的初始位置点示意图；

图4USV跟踪虚拟USV示意图；

图5UUV跟踪虚拟UUV示意图；

图6USV对接点和虚拟UUV的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。

结合图1，USV水面动态回收UUV的过程可以描述为：

回收初始状态，USV和UUV都漂浮于水面，而且整个回收过程也是在水面完成。USV和UUV通过所配置的无线电通信设备进行通信联络，启动回收过程。回收过程开始后，USV和UUV分别根据各自的回收机动策略进行航行，目的是形成使UUV和USV逐步接近并且UUV尾随跟踪USV的航行态势。当UUV和USV的距离、航向满足回收对接条件时，USV和UUV各自伸出对接机构进行对接，整个回收过程完成。

结合图2，USV水面动态回收UUV的流程可以描述为：

步骤一：UUV和USV在水面待机，UUV向USV发送回收请求，启动回收过程；

步骤二：USV以固定速度驶向UUV，UUV保持原地待机，USV的航向指令和速度指令由式(1)和式(2)解算：

U_{usv_cmd}(t)＝U_{usv_c} (2)

式中，ψ_{usv_cmd}(t)表示USV的指令航向；

是UUV的位置点坐标，可通过UUV上的GPS传感器测量得到；

是USV的位置点坐标，可通过USV上的GPS传感器测量得到；U_{usv_cmd}(t)表示USV的指令航速；U_{usv_c}为设定的USV固定航速。

步骤三：USV判断是否进入回收圆，如果进入回收圆转步骤四，否则转步骤二；判断进入回收圆的方法如式(3)所示：

式中，d_usvTOuuv(t)表示USV到UUV的距离；R_homing表示回收圆的半径。

回收圆如图3所示，是以UUV所在位置为圆心，R_homing为半径的圆，一般R_homing可取UUV和USV体长和的5倍，即R_homing＝5×(L_uuv+L_usv)，L_uuv是UUV的体长，L_usv是USV的体长。USV进入回收圆，表明USV和UUV的距离较近，可以进行后续回收航行机动和回收动作。

步骤四：USV根据进入回收圆的限象，解算出自己要跟踪的虚拟USV的初始位置点

为要跟踪的虚拟USV的初始位置点坐标，UUV保持原地待机。

如图3所示，以UUV所在位置为原点，建立北东(NE)直角坐标系，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个限象。如果USV从第Ⅰ限象进入回收圆，那么令

如果USV从第Ⅱ限象进入回收圆，那么令

如果USV从第Ⅲ或第Ⅳ限象进入回收圆，那么令

且有L＝3×L_uuv。

步骤五：USV按一定的运动规律解算虚拟USV的位置，USV跟踪虚拟USV；UUV保持原地待机。USV的航向指令和速度指令由式(4)和式(5)解算：

式中，

表示虚拟USV的位置点坐标，通过解算得到。

USV跟踪虚拟USV的示意如图4所示。虚拟USV的运动是从初始位置点p_{f_v_usv}，按照顶风航向，沿直线航行。USV则以式(4)和式(5)为指令保持对虚拟USV的跟踪。

虚拟USV的运动及各时刻的位置解算方法由式(6)给出：

式中，p_{v_usv}(t)表示虚拟USV的位置点，且有

α_w是迎风角，且有，α_w＝α_wind+π，α_wind为风向角，可由USV上的风向传感器测得；

称为虚拟USV运动参考量，由式(7)更新得到：

步骤六：USV判断是否进入激活圆，如果没有进入激活圆转步骤五，否则转步骤七；判断进入回收圆的方法如式(8)所示：

式中，d_{usvTOv_usv}(t)表示USV到虚拟USV的距离；R_active表示激活圆的半径。

激活圆如图4所示，是以虚拟USV所在位置为圆心，R_active为半径的圆，且一般R_active可取20～30米。当USV进入激活圆，表明USV的回收航行机动已经就位，可以激活原地待机的UUV进行回收航行机动。

步骤七：USV保持当前航向和航速航行，并通过无线电向UUV发送激活指令：

步骤八：UUV接收激活指令后，按一定的运动规律解算虚拟UUV的位置，并开始跟踪虚拟UUV；UUV的航向指令和速度指令由式(9)和式(10)解算：

U_{uuv_cmd}(t)＝U_{uuv_max}·ρ_usv(t)·ρ_uuv(t) (10)

式中，ψ_{uuv_cmd}(t)表示UUV的指令航向；

表示虚拟UUV的位置点坐标，通过解算得到；U_{uuv_cmd}(t)表示UUV的指令航速；U_{uuv_max}表示UUV的最大航行速度，是恒定值；ρ_usv(t)表示与USV相关的衰减系数；ρ_uuv(t)表示与UUV相关的衰减系数。两个衰减系数的解算方法如式(11)和式(12)所示：

式中：

称为虚拟USV调节量，一般可取1-20；

称为虚拟UUV调节量，一般也可取1-20；

UUV跟踪虚拟UUV的示意如图5所示。虚拟UUV的运动与USV的位置、USV的航向以及USV上对接机构的位置有关，并按照尾随USV的航行轨迹进行运动。UUV则以式(11)和式(12)为指令保持对虚拟UUV的跟踪。虚拟UUV各时刻的位置解算方法由式(13)给出：

式中，p_{v_uuv}(t)表示虚拟UUV的位置点，且有

称为对接点，表示USV上释放出对接机构后对接机构的位置点，随USV的运动而运动。

称为虚拟UUV运动参考量；ψ_usv(t)表示USV的实际航向角，可通过UUV上的罗经传感器测量得到。

USV上对接点和虚拟UUV的位置关系示意如图6所示。由图可以看出，p_d(t)和p_{v_uuv}(t)都是随USV运动。图中l_d是USV的重心到对接点p_d(t)的长度，而p_d(t)和p_{v_uuv}(t)之间的距离即为

那么，从图6可知，p_d(t)由式(14)解算得到：

由式(15)更新得到：

式中，U_uuv(t)表示UUV的实际航行速度，可通过UUV上的DVL(多普勒测速仪)测量得到，p_usv(t)为USV当前的位置；通过USV上搭载的GPS测得，USV将当前位置信息发送给UUV。

步骤九：UUV判断是否进入对接圆，如果没有进入对接圆转步骤八五，否则转步骤十；判断进入对接圆的方法如式(16)所示：

式中，d_{uuvTOv_uuv}(t)表示UUV到虚拟UUV的距离；R_docking表示激活圆的半径。

对接如图5所示，是以虚拟UUV所在位置为圆心，R_docking为半径的圆，且一般R_docking可取5～10米。当UUV进入对接圆，表明UUV的回收航行机动已经就位，可以进行最后的对接动作。

步骤十：UUV释放对接机构，同时通过无线电通知USV释放对接结构。步骤十一：UUV与USV通过对接机构进行对接，回收完成。

Claims (7)

1.一种USV水面动态自主回收UUV的方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：UUV和USV在水面待机，UUV向USV发送回收请求，启动回收过程；

步骤二：USV以固定速度驶向UUV，UUV保持原地待机；

步骤三：判断USV是否进入回收圆，如果进入回收圆转步骤四，否则转步骤二；

步骤四：USV根据进入回收圆的限象，解算出其要跟踪的虚拟USV的初始位置点p_{f_v_usv}，UUV保持原地待机；

步骤五：虚拟USV的运动是从初始位置点p_{f_v_usv}，按照顶风航向，沿直线航行；进行虚拟USV的运动解算，得到虚拟USV的位置，USV跟踪虚拟USV；UUV保持原地待机；

步骤六：判断USV是否进入激活圆，如果没有进入激活圆转步骤五，否则转步骤七；

步骤七：USV保持当前航向和航速航行，并通过无线电向UUV发送激活指令；

步骤八：UUV接收激活指令后，进行虚拟UUV的运动解算，得到虚拟UUV的位置，并开始跟踪虚拟UUV；

步骤九：判断UUV是否进入对接圆，如果没有进入对接圆转步骤八，否则转步骤十；

步骤十：UUV释放对接机构，同时通过无线电通知USV释放对接结构；

步骤十一：UUV与USV通过对接机构进行对接，回收完成；

所述的步骤四中，解算出虚拟USV的初始位置点p_{f_v_usv}的方法为：

以UUV所在位置为原点，建立北东直角坐标系，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个限象；其中，东北为第Ⅰ象限、东南为第Ⅱ象限、西北为第Ⅲ象限、西南为第Ⅳ象限；如果USV从第Ⅰ限象进入回收圆，那么令

如果USV从第Ⅱ限象进入回收圆，那么令

如果USV从第Ⅲ或第Ⅳ限象进入回收圆，那么令

且有L＝3×L_uuv，L_uuv为UUV的体长；

所述的步骤五中，进行虚拟USV的运动解算，得到虚拟USV的位置

其中，p_{v_usv}(t)表示t时刻虚拟USV的位置点，且有

为虚拟USV的位置点坐标；α_w是迎风角，且有α_w＝α_wind+π，α_wind为风向角，可由USV上的风向传感器测得；

为虚拟USV运动参考量，且有

式中，U_{usv_c}为设定的USV固定航速；

进一步得到，USV跟踪虚拟USV的航向指令和速度指令为：

式中，

表示USV跟踪虚拟USV的航向指令；

表示USV跟踪虚拟USV的航速指令；

是USV的位置点坐标；

所述的步骤八中，进行虚拟UUV的运动解算，得到虚拟UUV的位置为：

其中，p_{v_uuv}(t)表示虚拟UUV的位置点，且有

为虚拟UUV的位置点坐标；

为对接点，为USV上释放出对接机构后对接机构的位置点，随USV的运动而运动，

为对接点坐标；

称为虚拟UUV运动参考量；ψ_usv(t)表示USV的实际航向角；

进一步得到，UUV跟踪虚拟UUV时的航向指令和速度指令为：

U_{uuv_cmd}(t)＝U_{uuv_max}·ρ_usv(t)·ρ_uuv(t)

其中，ψ_{uuv_cmd}(t)表示UUV的航向指令；U_{uuv_cmd}(t)表示UUV的航速指令；U_{uuv_max}表示UUV的最大航行速度，是恒定值；ρ_usv(t)表示与USV相关的衰减系数；ρ_uuv(t)表示与UUV相关的衰减系数；

是UUV的位置点坐标。

2.根据权利要求1所述的一种USV水面动态自主回收UUV的方法，其特征在于：所述的步骤二中，USV以固定速度驶向UUV的航向指令和速度指令为：

U_{usv_cmd}(t)＝U_{usv_c}

其中，ψ_{usv_cmd}(t)表示USV的航向指令；

是UUV的位置点坐标；

是USV的位置点坐标；U_{usv_cmd}(t)表示USV的航速指令；U_{usv_c}为设定的USV固定航速。

3.根据权利要求1所述的一种USV水面动态自主回收UUV的方法，其特征在于：所述的步骤三中，判断USV是否进入回收圆的条件为：

如果满足条件则USV进入回收圆；

其中，d_usvTOuuv(t)表示USV到UUV的距离；R_homing表示回收圆的半径，取UUV和USV体长和的5倍；

是UUV的位置点坐标；

是USV的位置点坐标。

4.根据权利要求1所述的一种USV水面动态自主回收UUV的方法，其特征在于：所述的步骤六中，判断USV是否进入激活圆的条件为：

满足条件则认为USV进入激活圆；

其中，d_{usvTOv_usv}(t)表示USV到虚拟USV的距离；R_active表示激活圆的半径；

是USV的位置点坐标，

为虚拟USV的位置点坐标。

5.根据权利要求1所述的一种USV水面动态自主回收UUV的方法，其特征在于：所述的步骤十中，判断UUV是否进入对接圆的条件为：

满足条件则认为UUV进入对接圆；

其中，d_{uuvTOv_uuv}(t)表示UUV到虚拟UUV的距离；R_docking表示对接圆的半径；

是UUV的位置点坐标，

为虚拟UUV的位置点坐标。

6.根据权利要求5所述的一种USV水面动态自主回收UUV的方法，其特征在于：所述的对接点p_d(t)为：

其中，l_d是USV的重心到对接机构的位置点的长度，p_usv(t)为USV当前的位置；ψ_usv(t)表示USV的实际航向角；

虚拟UUV运动参考量

为：

其中，U_uuv(t)表示UUV的实际航行速度。

7.根据权利要求5所述的一种USV水面动态自主回收UUV的方法，其特征在于：所述的与USV相关的衰减系数ρ_usv(t)和与UUV相关的衰减系数ρ_uuv(t)为：

其中：

称为虚拟USV调节量；

称为虚拟UUV调节量；p_usv(t)为USV当前的位置；p_uuv(t)为UUV当前的位置；p_{v_uuv}(t)表示虚拟UUV的位置点；p_{v_usv}(t)表示t时刻虚拟USV的位置点。

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