自主水下航行器

摘要： 由于传统快速扩展随机树的改进算法(RRT^(*))在处理自主式水下机器人三维路径规划问题时存在算法收敛速度慢、规划出的路径不平滑等问题,提出一种改进型NT-RRT^(*)算法(正态采样、三角裁剪的快速扩展随机树改进算法),利用正态分布的空间采样策略来代替RRT^(*)算法中的全局均匀随机采样,用来提高算法的收敛速度。此外,引入基于三角不等式的几何修剪算法,减少了随机树扩展过程中的节点和路径长度。在有地形障碍物和漂浮障碍物的三维水下环境进行仿真,仿真结果表明,改进后的算法在随机扩展中的节点数减少为原来的15%,算法规划时间缩短为原来的20%,规划出的路线长度约为原来的一半并且路径光滑、曲折性小,说明改进后的NT-RRT^(*)算法在收敛速度和路径长度上明显优于RRT^(*)算法。

摘要： 为解决欠驱动自主式水下航行器的定深控制问题,建立欠驱动自主式水下航行器的数学模型,选用经典的PID控制器对其进行控制。为使控制器的各项性能指标良好,控制器的参数整定选用粒子群优化算法。粒子群算法在迭代过程中容易出现粒子早熟现象,为了避免这一现象,本文引入指数函数,对粒子群迭代公式的惯性权重进行动态调整,延长了粒子的大范围搜索时间。在Matlab 2019b环境下进行仿真,通过纵向对比,证明了改进算法的可行性,将改进后的算法与ZN整定算法进行对比,结果表明,改进粒子群算法表现更佳。

摘要： 在复杂海洋环境下,利用超短基线对自主水下航行器(AUV)进行跟踪定位可能会受到各类误差的影响,通常采用以最小均方误差为准则的卡尔曼滤波对动态定位数据进行处理。构建起与目标实际运动相匹配的运动模型,是保证卡尔曼滤波精度和可靠性的重要基础,而AUV具有机动性较强的特点,往往难以先验性地确定单一的运动模型实现对所有运动状态的匹配。针对基于单模型卡尔曼滤波无法全程适应水下目标的所有运动状态的问题,采用交互式多模型卡尔曼滤波方法处理AUV的超短基线跟踪数据,运动模型之间通过概率矩阵转移来增强运动状态的适应性,实验结果表明该算法在多模型集合构建合理的情况下,其状态适应性优于单模型卡尔曼滤波算法。

摘要： 在无协商、指派及中心控制的自主水下航行器(AUV)集群控制中,AUV群集在进行避碰、多目标追踪等行为时群集分裂的现象不可避免,如果分裂不可控,易出现AUV丢失或分裂后的子群规模差距过大等问题。为了面对外部刺激时群集能进行可控分群,提出一种融合拓扑交互和信息耦合度的分群控制算法,该算法使用信息耦合度作为评判指标衡量个体间的影响作用,并根据AUV在水下通信难、感知难的特点,引入了拓扑交互机制,减少群集组群和分群所需要的信息,提升AUV组群和分群的效果。仿真实验验证该算法的可行性和有效性。

摘要： 随着海洋研究与开发的日益扩大,高速自主水下航行器(AUV)作为重要的无人水下工作平台受到广泛关注。然而由于其模型具有多输入多输出、强耦合欠驱动以及强非线性特性,因此依赖精确模型的传统控制方法在实际应用中常受到限制。针对此问题,文中提出一种不依赖精确模型的强化学习位姿控制器,该控制器通过姿态环和位置环的配合不仅可以实现高速AUV的快速姿态稳定,还可以更快地完成下潜到指定深度的动作;同时,为了降低获取用于训练强化学习控制器数据的成本,结合神经网络技术提出了一种改进的高速AUV状态估计器,该估计器可以在已知当前时刻AUV的状态以及所受控制量的情况下估计出下一时刻的状态,从而为强化学习控制方法提供大量的训练数据。仿真实验结果表明,估计器达到了较高的估计精度,基于神经网络状态估计器训练得到的强化学习控制器可以完成原AUV的平稳快速控制,从而验证了所提方法的可行性及有效性。

摘要： 针对未知水下环境下的自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)目标搜索问题,传统方法搜索速度慢且以解决二维平面下搜索问题为主,本文提出了一种基于改进RRT(rapid-exploration random tree)的未知三维环境目标搜索算法。在搜索方面,分别建立了包括目标存在概率地图、不确定度地图、区域遍历度地图在内的实时地图并设定其更新规则,根据搜索目标建立决策函数;在局部规划方面,将滚动规划与改进RRT算法相结合,规划出到搜索决策点的路径。二者的结合,实现了AUV在三维空间下在线实时搜索。仿真表明,该算法具有较强的遍历能力,提高了三维空间下目标搜索的速度。

摘要： 自主水下航行器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)是目前在深水海域进行海洋工程勘察的重要手段之一,将AUV应用于深水海底管道在位状态调查首次实践取得了成功,发现了水海异常反射区、珊瑚礁、沙波区等地形地貌,分析认为这些环境因素对海底管道的安全运营存在着很大的威胁,需重点关注。

摘要： 针对自主水下航行器(AUV)隐蔽航行需求,文中设计了一种基于捷联式惯性导航系统(SINS)和长基线(LBL)的组合导航系统,其中LBL信标按照固定顺序在不同时隙分别发送声信号,在接收到声信号后通过SINS分别计算出每个虚拟信标的位置平移量,并列出方程组解算出水声定位位置坐标。航行中可以通过LBL水声定位信息来校正SINS的导航误差,而校正后的SINS位置信息可以为LBL定位提供更精确的虚拟信标平移量。在组合导航定位过程中,通过融合节点冗余信息,进行多点LBL定位,从而提高定位精度;同时利用历史冗余节点替代缺失节点,保证正常量测更新。通过MATLAB仿真对组合导航系统进行验证,结果表明,基于SINS和LBL的AUV组合导航系统能在AUV隐蔽状态下,充分抑制纯惯导误差,提高导航定位精度,节省系统能量。在利用冗余信息之后,系统的导航精度、可靠性和容错性都得到进一步提高。

摘要： 针对多自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)的深度和纵向速度耦合控制问题,提出一种基于分布式模型预测控制(Distributed Model Predictive Control,DMPC)的双子系统控制方法 .在DMPC的框架下,AUV和邻居共享信息以建立预测优化问题,实现多AUV的协同控制.考虑单个AUV的深度和纵向速度控制,深度控制子系统参考轨迹中的俯仰角序列作为速度控制子系统中俯仰角的实际值,同时纵向速度控制子系统参考轨迹中的纵向速度序列作为深度控制子系统中纵向速度的实际值,由此解耦为两个子系统,进而独立地求解预测优化问题.仿真实验结果表明,相对于整体系统DMPC方法,本文提出的双子系统DMPC方法可在牺牲一定深度控制收敛速度的基础上降低计算时间73.3%.

摘要： [目的]为提高杂波干扰下自主水下航行器(AUV)集群系统在协同定位过程中的全局定位精度,提高定位信息的实时性,提出一种以信息增益为评价标准的局部信息融合算法。[方法]通过阈值加权方法对观测数值进行粗差改善,进行局部信息滤波,优化观测值以使其更接近于真实值。从信息熵理论的角度考察各量测信息的可靠性,对多台主AUV的多组局部滤波信息进行优化。以信息增益为融合权值指标,融合多组局部滤波结果,生成唯一的被测从AUV定位信息。进一步地,考虑到主、从AUV之间的声呐探测以及水声信号的通信延时特性,局部信息滤波与信息增益融合算法会出现滤波数据异步的问题,提出一种局部信息滤波和信息增益加权方法的并行结构,通过实时更新机制,确保信息加权算法的输入值为最新时刻的局部滤波输出值。[结果]仿真实验结果表明,相较于多源局部滤波信息,所提融合方法能够有效降低局部滤波误差,提高定位精度,对局部滤波有进一步的优化作用。[结论]所提融合方法可有效实现多AUV系统的协同定位能力。

摘要： 随着自主水下航行器的研究与发展,现在其功能已不仅仅局限于在水下低速或高速航行,而且需要具有如爬潜、悬停、侧移及旋转等更高的机动性能,本文所提到的潜航体就是这样一种具有多推进器,能够实现上述功能的自主水下航行器.针对潜航体多推进器的动力定位过程,本文主要进行了以下研究:采用矢量参数的形式建立了潜航体的六自由度运动学和动力学方程;对它的流体动力进行了重新分类.利用小扰动原理,给出了它在巡航工作模式(小攻角)及悬停工作模式(大攻角)下的线性化方法,推导了潜航体在纵平面内运动的线性化方程.基于上述线性化方程,利用经典的PID控制,对潜航体在巡航工作模式下用舵进行控制和悬停工作模式下用垂推进行控制的过程进行了研究,对潜航体实现爬潜的过程进行了仿真.

摘要： 根据自主水下航行器(AUV)的组成和特点,通过对其进行动力学和运动学分析,基于经典的动量和动量矩定理,建立了AUV的纵向运动数学模型.该模型不仅可以用来对小攻角情况下基于操舵的定深控制进行仿真,也能用来对大攻角情况下基于浮力补偿和基于多推进器的定深控制进行仿真.通过仿真发现,AUV在低航速状态下由于舵效太低无法通过操舵来完成定深,而基于浮力补偿的定深控制和基于多推进器的定深控制能有效解决这个问题.

摘要： 为了实现对高速操纵下AUV的高精度和快速响应的鲁棒控制,引入双幂次趋近律来设计滑模控制器,保证系统状态在整个状态空间内对参数摄动和外界干扰的不变性,并提高控制系统的响应速度,降低抖振.设计自适应超螺旋干扰观测器对干扰进行在线估计,来补偿参数摄动、环境作用等有界干扰对AUV运动产生的影响,提高控制的精度.考察无干扰环境、正弦干扰环境和存在海流干扰三种情况,针对AUV航向控制系统,进行Simulink仿真;通过比较和分析,所提出方法的有效性得到了验证.

摘要： 本文主要研究了一种新型的基于捷联惯导(SINS)和GPS的组合导航系统.捷联惯导作为主系统,同时利用GPS重调捷联惯导系统,探讨实际导航过程中捷联惯导系统和GPS系统在各种误差源共同影响下的误差特性,建立了该组合导航系统的卡尔曼滤波模型,并利用MATLAB软件对其进行了数学仿真验证,仿真结果表明:GPS间歇校正的引入可以实现航行器位置高精度校准和误差的收敛,该组合导航系统能满足一般水下航行器的导航定位的需要.

摘要： 针对自主水下航行器(AUV)仿真研究的需求，给出了一种采用ADI／RTS仿真工作站、惯性测量器件、GPS卫星定位导航模拟器及接收机、多普勒测速仪模拟器和水压模拟器构成的SINS／DVL/GPS组合导航半实物仿真系统。该系统采用反射内存网络实现了实时通信，且引入联邦Kalman滤波技术减小了导航的参数误差、提高了系统的定位精度。仿真试验的结果表明，所设计的半实物仿真系统方案可行，满足实时性要求，在导航精度和稳定性方面都有提高，对于水下航行器研制具有重要的应用价值。

摘要： 利用直升机投放自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV),从而实现水下目标探测,是现代航空反潜的一项新技术.AUV的精确导航与探测能力是该技术的难点问题之一.本文以同时定位与制图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)算法为核心,利用捷联式惯性导航设备(SINS)、声呐组合提供数据信息,采用扩展卡尔曼滤波器(EKF),研究一种基于惯性传感器与声呐的自主水下航行器定位与地图构建算法——EKF-SLAM算法,对AUV分别在圆周运动和S形运动条件下的定位误差进行仿真分析.仿真结果表明,提出的算法能够较好地完成AUV的水下导航、定位及探测任务,该方法是有效可行的.

摘要： 为了对水下航行器控制系统的故障进行在线检测,采用有限脉冲响应(FIR)滤波器对水下航行器进行在线自适应建模,利用LMS算法来调节自适应滤波器的权系数,通过对FIR滤波器权系数的分析,实时检测出系统的故障.通过Matlab仿真表明,该方法简单可靠,可对水下航行器控制系统的传感器和执行器的各种故障进行实时检测.

摘要： 为了对水下航行器控制系统的故障进行在线检测,采用有限脉冲响应(FIR)滤波器对水下航行器进行在线自适应建模,利用LMS算法来调节自适应滤波器的权系数,通过对FIR滤波器权系数的分析,实时检测出系统的故障.通过Matlab仿真表明,该方法简单可靠,可对水下航行器控制系统的传感器和执行器的各种故障进行实时检测.

摘要： 为了对水下航行器控制系统的故障进行在线检测,采用有限脉冲响应(FIR)滤波器对水下航行器进行在线自适应建模,利用LMS算法来调节自适应滤波器的权系数,通过对FIR滤波器权系数的分析,实时检测出系统的故障.通过Matlab仿真表明,该方法简单可靠,可对水下航行器控制系统的传感器和执行器的各种故障进行实时检测.

摘要： 为了对水下航行器控制系统的故障进行在线检测,采用有限脉冲响应(FIR)滤波器对水下航行器进行在线自适应建模,利用LMS算法来调节自适应滤波器的权系数,通过对FIR滤波器权系数的分析,实时检测出系统的故障.通过Matlab仿真表明,该方法简单可靠,可对水下航行器控制系统的传感器和执行器的各种故障进行实时检测.

摘要： 本发明公开了一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统，所述磁耦合结构包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述发射端包括发射磁芯和绕设在所述发射磁芯上的发射线圈，所述发射磁芯包括长形的主体和位于所述主体上的至少两个绕线部，所述发射线圈包括绕设在所述至少两个绕线部上的分体线圈。本发明提供的自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，解决了自主式水下航行器续航能力差、充电困难的问题。该磁耦合结构的接收端体积小，占有自主式水下航行器内部空间小，不改变自主式水下航行器外形，对于非对准的容忍能力更强，降低了自主式水下航行器的停靠精度。

摘要： 本发明公开一种自主式水下航行器的回收方法及自主式水下航行器，其中，所述自主式水下航行器的方法包括以下步骤：在检测到开启指令后，控制所述舱门打开；控制所述无人机起飞；控制所述线缆降落在所述水面回收艇的目标位置。本发明的技术方案利用无人机在空中进行定位和识别，提高了自主式水下航行器的回收成功率和效率。

摘要： 本发明公开了一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统，所述磁耦合结构包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述接收端包括接收线圈，所述接收线圈沿所述自主式水下航行器的径向设置，包括位于所述自主式水下航行器径向中心位置的内端部、位于自主式水下航行器壳体内表面处的外端部以及位于内端部和外端部之间的中间部。本发明提供的自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，解决了自主式水下航行器续航能力差、充电困难的问题。该磁耦合结构输入侧电流纹波小，可传递的功率等级大，并且能够延长电池寿命。

摘要： 本发明公开一种自主式水下航行器的回收方法及自主式水下航行器，其中，所述自主式水下航行器的方法包括以下步骤：在检测到开启指令后，控制所述舱门打开；控制所述无人机起飞；控制所述线缆降落在所述水面回收艇的目标位置。本发明的技术方案利用无人机在空中进行定位和识别，提高了自主式水下航行器的回收成功率和效率。

摘要： 本发明公开了一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统，所述磁耦合结构包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述发射端包括发射磁芯和绕设在所述发射磁芯上的发射线圈，所述发射磁芯包括长形的主体和位于所述主体上的至少两个绕线部，所述发射线圈包括绕设在所述至少两个绕线部上的分体线圈。本发明提供的自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，解决了自主式水下航行器续航能力差、充电困难的问题。该磁耦合结构的接收端体积小，占有自主式水下航行器内部空间小，不改变自主式水下航行器外形，对于非对准的容忍能力更强，降低了自主式水下航行器的停靠精度。

摘要： 本发明公开了一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统，所述磁耦合结构包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述接收端包括接收线圈，所述接收线圈沿所述自主式水下航行器的径向设置，包括位于所述自主式水下航行器径向中心位置的内端部、位于自主式水下航行器壳体内表面处的外端部以及位于内端部和外端部之间的中间部。本发明提供的自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，解决了自主式水下航行器续航能力差、充电困难的问题。该磁耦合结构输入侧电流纹波小，可传递的功率等级大，并且能够延长电池寿命。

摘要： 本发明旨在提供一种水下航行器的船体，所述的船体为下口鲇仿生结构，所述的船体为由两端端点重合的三条弧线组成的三面体结构，船头和船尾分别位于两端，并且，船体的各个宽度方向的纵截面均为等腰三角形。本发明还提供一种水下航行器及其动态定位悬浮方法。本发明水下航行器采用改进的下口鲇仿生结构，能够通过自身船体结构及洋流推力实现贴紧海底平台的稳定定位悬浮，能够提高准确性，减少时间和能耗，同时也不受洋流强度的限制，更节能环保，提高船体的续航能力；能够广泛应用于海底管道和电缆的检查，被困在其他水下航行器或潜艇中的人员的救援以及水下焊接等领域。

摘要： 本发明提供了一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法，包括以下步骤：S1、在水下航行器上设置不少于一个测距声纳；S2、通过测距声纳探测设定范围内的障碍物位置；S3、对探测到的障碍物进行区域划分。本发明所述的一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法根据预先定义的路径或任务进行操作，通过自主避让系统，以便允许水下航行器偏离其预计的任务路线，并在水下航行器离开障碍物后返回。

摘要： 本实用新型属水中兵器与海洋工程技术领域，具体涉及一种应用于水下自主航行器AUV推进系统的水密电机及该水下自主航行器AUV推进系统，该水密电机包括电机转轴、电机定子、电机壳体、电机前端盖及电机后端盖，其对应的水下自主航行器AUV推进系统包括水密电机、推进螺旋桨及导流罩，水密电机安装在自主航行器壳体前端，推进螺旋桨安装在水密电机前端；导流罩固定于所述水密电机外围，导流罩与所述航行器壳体之间形成水密封闭空间。本实用新型用于解决水下自主航行器AUV推进系统中水密电机的设计及使用问题，可实现推进电机完全水密并具备推力特性，应用中完全实现水密，并使用了阶梯压降动密封技术，应用于类似的推进系统电机设计场合。

摘要： 本实用新型属于水下航行器技术领域，公开了一种基于自主水下航行器的水下水样采集装置及采集器。该水下水样采集装置包括用于安装在自主水下航行器上的总支架，所述总支架上相对于所述自主水下航行器对称设置有多个水样采集单元，所述水样采集单元包括竖直设置的两端开通的采集管，所述采集管的上端设置有用于排出管内空气的单向阀，所述采集管的下端设置有用于控制进出水的电磁阀，所述电磁阀的控制端电连接有继电器。该装置解决了传统人工采集水样的方法以及在恶劣条件下的水下采样问题；而且该装置结构简单、使用方便。