CN108762326A - 一种水下动态对接过程中的auv纵向速度制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法。针对水下AUV与母艇的动态对接过程，考虑到AUV若纵向速度过大可能导致与母艇所搭载的坞站发生严重的碰撞事故，提出了一种针对AUV的纵向速度制导方法。本方法将对接过程分为接近段和对接段：在接近段，选择AUV重心与坞站之间的距离作为参考量设计纵向速度；在对接段，选择AUV重心与坞站两者所对应的圆形轨道弧长作为参考量设计纵向速度。与传统的设置纵向分段速度相比，该方法可以保证AUV迅速接近母艇并以较小的安全速度进入坞站，且保证速度曲线不会发生明显的突变，缩短了对接时间，提高了对接安全性。

Description

一种水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法

技术领域

本发明涉及水下航行器控制技术领域，具体涉及一种水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法。

背景技术

智能水下无人航行器，即Autonomous Underwater Vehicle，AUV，作为高技术水下无人平台，在资源开发、海洋科学、水下救援等领域发挥了重要作用，成为各国重点发展的新型装备。近些年，人们已逐渐将视线从陆地环境的发展转向海洋领域的开发，各国纷纷将海洋作为战略目标和发展方向。对于人均资源占有率并不高的我国来说，开发海洋领域更具有特殊的意义和价值。在海洋开发的过程中，水下航行器在海洋目标的识别与探测、海洋环境的建模与定位等多方面，都起到了十分重要的作用。

水下航行器是水下机器人的一种，不仅能够自带能源以支持工作中的机动，而且能够实现自治能力以达到顺利完成工作的目的。水下航行器具有体积小、工作范围广、噪声低、重量轻、隐蔽性好等优点。因此，无论是在民用中，还是在军事应用中，均扮演着重要角色。高精度导航是水下航行器获得有效信息的必要条件，更是决定航行器能否安全工作以及顺利返回的关键因素。由于水下航行器工作环境的特殊性，基于无线电传播的罗兰、等传统导航方式在水下无法应用。拥有自主导航能力的惯性导航系统是核心导航设备，它不需要依靠任何外部信息就能独立完成导航任务。但是，惯导系统定位误差会随时间积累，不能满足长时间、远航程水下航行器的要求。为此，提出了利用其他导航设备提供的导航信息来辅助完成导航任务，如多普勒计程仪等，在一定程度上提高了导航精度，而且弥补了各自的不足。然而，传统的滤波技术已无法适应水下航行器复杂多变的工作环境，针对航行器工作环境复杂多变的特点，如何对滤波技术进行改进，提高导航精度成为了国内外的研究热点。同时，随着科学技术的不断发展，导航传感器种类也在相应增加，如何对多传感器提供的信息进行有效地融合，以提高组合系统的导航精度和可靠性是信息融合技术的研究重点

基于母艇搭载的AUV在执行任务过程中不与母艇进行信息交换，只有AUV与母艇成功对接，才能下载数据，完成指定任务。对接过程中，为保证安全，母艇会尽量减少通过声呐与AUV主动通讯，因此母艇上的人员无法对AUV进行实时操控与干预；AUV在对接过程中会受到洋流或潮汐运动等环境扰动的影响，母艇也会由于环境扰动、应急战术机动等情况带来状态的突然变化，这些因素会给交会对接中的AUV和母艇带来碰撞等安全性风险。如果AUV在对接过程中与母艇发生碰撞，产生的辐射噪声会增加浅海水域母艇被探测到的风险，碰撞引起的设备损害同样威胁母艇上人员的安全。因此，AUV能够安全、自主地与运动中的母艇完成对接对于母艇搭载AUV执行任务至关重要。

AUV水下对接不同于导弹拦截，对接过程需要着重考虑AUV的航速控制，避免距离较近时因为速度过大而发生严重的碰撞事故。在航天对接领域，同一轨道内直接加速会错过目标，一般通过变轨寻找合适的对接点完成对接，其速度控制对水下对接的指导意义不大。在水下AUV静态对接方面，现有方法将纵向速度设置为两段式控制，当AUV距离坞站一定距离时，将AUV航速减小到固定值，这种方法可以一定程度上避免事故的发生，但只是将速度进行了分段，思路过于简单，且速度曲线存在明显的突变。本发明提出了一种AUV纵向速度制导策略，可以为控制器提供期望速度输入，保证对接的快速性和安全性。

本发明公开的是一种水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法，将对接过程分为接近段和对接段：在接近段，选择选择AUV重心与坞站之间的距离作为参考量设计纵向速度；在对接段，选择AUV重心与坞站两者所对应的圆形轨道弧长作为参考量设计纵向速度。与传统的设置纵向分段速度相比，该方法可以保证AUV迅速接近母艇并以较小的安全速度进入坞站，且保证速度曲线不会发生明显的突变，缩短了对接时间，提高了对接安全性。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法，具体包括以下步骤，

(1)将母艇与AUV的对接过程分为接近段和对接段，母艇在预定平面圆形轨迹上做周期性航行；AUV从返航至到达圆轨迹之前为接近段，该阶段采用声学导引技术，且只有AUV上的水听器会主动发声；从到达圆轨迹至对接完成为对接段，该阶段采用声学与光视觉组合导引技术；

(2)在接近段，选择AUV重心与坞站之间的距离作为参考量，依据该参考量设计纵向速度方程；

(3)在对接段，选择AUV重心与坞站两者所对应的圆形轨道弧长作为参考量，依据该参考量设计纵向速度方程。

步骤(1)中所述的判断AUV到达圆轨迹的方法具体包括：

当AUV与圆轨迹上点之间的距离小于一个已知小量δ，即且z≤δ时，认为AUV到达了圆轨迹，其中，AUV重心坐标为(x,y,z)，坞站坐标为(x_d,y_d,z_d)，圆轨迹半径为r。

所述的步骤(2)具体包括：

在接近段，参考量为：

接近段纵向期望速度为：

其中，V_d1为接近段AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数。

所述的步骤(3)具体包括：

在对接段，设AUV重心与坞站对应的弦长为参考量为：

对接段纵向期望速度为：

其中，V_d2为对接段AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数；φ为圆心角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据不同对接阶段的特点，选择不同的参考量e，同时兼顾快速性和安全性。本发明设计的纵向期望速度可以保证AUV迅速接近母艇并以较小的安全速度进入坞站，且保证速度曲线不会发生明显的突变，缩短了对接时间，提高了对接安全性。系统、量化的设计了AUV纵向速度制导方法，实用有效，为通用的AUV水下动态对接安全标准的建立提供了基础。

附图说明

图1是本发明的结构流程图；

图2是本发明的对接结构流程图；

图3是本发明的仿真数据之三维轨迹跟踪示意图；

图4是本发明的仿真数据之参考量与纵向速度。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明包括如下步骤：

(1)将母艇与AUV的对接过程分为接近段和对接段，母艇在预定平面圆形轨迹上做周期性航行。AUV从返航至到达圆轨迹之前为接近段，从到达圆轨迹至对接完成为对接段。

(2)在接近段，选择AUV重心与坞站之间的距离作为参考量，依据该参考量设计纵向速度方程。

(3)在对接段，选择AUV重心与坞站两者所对应的圆形轨道弧长作为参考量，依据该参考量设计纵向速度方程。

进一步的，判断AUV到达圆轨迹的方法为：当AUV与圆轨迹上的点偏差小于一个已知小量δ，即且z≤δ时，认为母艇到达了圆轨迹。其中：AUV重心坐标为(x,y,z)，坞站坐标为(x_d,y_d,z_d)，圆轨迹半径为r。

进一步的，在接近段，参考量为纵向期望速度可以表示为：

其中：V_d1为AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数。

在对接段，AUV重心与坞站对应的弦长为则可以得到参考量为：

纵向期望速度可以表示为：

其中：V_d2为AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数。

如图1所示，将对接过程分为接近段和对接段，采用非合作式对接，视母艇为被动目标，当要执行对接任务时，母艇将返回对接海域，并在预定的圆形航线上做周期性运动，等待AUV与之建立联系，并设置母艇速度大小不变，AUV为主动体，通过控制AUV的运动完成对接过程。

(1)接近段1自AUV返航开始至AUV到达预定圆轨迹结束，该阶段采用声学导引技术，传感器为超短基线系统USBL，作用距离：2000m，测距精度：2％斜距，目标方位测量精度：±2°，AUV上搭载有USBL水听器，母艇坞站3上搭载USBL信标。为保证母艇自身的安全，只有AUV上的水听器会主动发声，母艇背部的坞站3上的信标只做应答响应。该阶段AUV与母艇距离较远，选择AUV重心与坞站3之间的距离作为参考量设计纵向速度，通过USBL系统可以测得AUV与坞站3之间的实时相对位置信息，得到参考量接近段纵向期望速度可以表示为：

其中：V_d1为AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数。

(2)对接段2自AUV到达预定圆形轨迹开始至AUV进入坞站3完成对接结束，该阶段采用声学与光视觉组合导引技术，声学传感器仍为超短基线系统USBL，作用距离：2000m，测距精度：2％斜距，目标方位测量精度：±2°，光视觉导引传感器为水下摄像机，作用距离：0.5m-30m，定位精度：厘米级。在AUV艏部设置1部下视摄像机和1部与水平呈45°的前下视摄像机，母艇背部的坞站3上搭载规则布置的点光源，水下540nm绿光LED灯点光源，同时在母艇脊背上也规则布置点光源。在对接段，选择AUV重心与坞站3两者所对应的圆形轨道弧长作为参考量，依据该参考量设计纵向速度方程。首先根据摄像机数据与USBL数据得到AUV重心与坞站两者对应的弦长为根据圆形弦长与弧长的对应换算关系，则可以得到参考量为：

对接段纵向期望速度可以表示为：

其中：V_d2为AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数，φ为圆心角。

Claims (4)

1.一种水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法，具体包括以下步骤，

(1)将母艇与AUV的对接过程分为接近段和对接段，母艇在预定平面圆形轨迹上做周期性航行；AUV从返航至到达圆轨迹之前为接近段，该阶段采用声学导引技术，且只有AUV上的水听器会主动发声；从到达圆轨迹至对接完成为对接段，该阶段采用声学与光视觉组合导引技术；

(2)在接近段，选择AUV重心与坞站之间的距离作为参考量，依据该参考量设计纵向速度方程；

(3)在对接段，选择AUV重心与坞站两者所对应的圆形轨道弧长作为参考量，依据该参考量设计纵向速度方程。

2.根据权利要求1所述的水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法，其特征在于，步骤(1)中所述的判断AUV到达圆轨迹的方法具体包括：

当AUV与圆轨迹上点之间的距离小于一个已知小量δ，即且z≤δ时，认为AUV到达了圆轨迹，其中，AUV重心坐标为(x,y,z)，坞站坐标为(x_d,y_d,z_d)，圆轨迹半径为r。

3.根据权利要求1所述的水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括：

在接近段，参考量为：

接近段纵向期望速度为：

其中，V_d1为接近段AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数。

4.根据权利要求1所述的水下动态对接过程中的AUV纵向速度制导方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括：

在对接段，设AUV重心与坞站对应的弦长为参考量为：

对接段纵向期望速度为：

其中，V_d2为对接段AUV纵向期望速度；V_sub为母艇航行速度；V_max为AUV最大航速；γ为调节航速收敛速度的系数；φ为圆心角。