基于Simulink的高空空投AUV全弹道仿真系统研究

高空空投AUV（Autonomous Underwater Vehicle,自主水下航行器）是一种基于“高空反潜武器概念”而设计的基高空滑翔与水下自主航行于一体的新型水下航行器,对其全弹道的仿真是其概念设计阶段的重要内容和理论基础。根据高空空投AUV弹道各稳态阶段的运动与环境特点,分别搭建了滑翔、减速与水下阶段六/九自由度仿真模型。仿真了空投AUV在翼面组件升力作用下的自由滑翔弹道和在圆形降落组件作用下的减速弹道。设计了AUV水下偏航与深度控制器,并进行了水下闭环控制仿真,验证了AUV深度与偏航控制下沿指定轨迹航行。仿真结果表明,仿真系统能准确快速地仿真出AUV各运动阶段的弹道、位姿、速度与加速度信息,适用于全弹道组件设计、特性分析与控制器设计与验证。     

自主式水下机器人数据采集与管理系统及其可靠性

自主式水下机器人(以下简称AUV)数据采集与管理系统(以下简称DCAM)利用多线程同步和通信机制实现了多串口数据采集,利用循环缓存区和存储转发的机制实现了将数据通过网络定时传送给工控机并将数据在本地保存。最后采用白盒测试的方法对该系统进行了测试并利用Musa执行时间模型对该系统进行了定量估计和预测其可靠性,预测结果显示该系统可以达到预计要求。     

基于多AUV间任务协作的水下多目标探测路径规划

利用自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)对水下多目标进行协同探测是目前海洋技术领域的研究热点.主要研究在水下三维区间内的多AUV任务分配与协作探测路径规划机制,建立了以每个AUV能量耗费与能耗均衡为约束条件的水下三维空间中的多旅行商MTSP(Multiple Traveling Salesman Problem)问题模型,利用遗传算法GA(Genetic Algorithm)对该NP-Complete问题进行启发式求解,同时设计了考虑巡航总路径及访问目标数的适应度函数以提高多AUV间的能耗均衡性,实现多个AUV对多个水下目标的优化协同探测.最后本文利用MATLAB R2014a软件对多AUV任务协作与多目标探测路径规划机制进行了仿真,仿真结果验证了本文方法能均衡多AUV多目标探测问题的能量消耗,进而提高巡航速度和生命周期.     

多AUV虚拟仿真测试平台实时仿真技术研究

为了对多AUV系统的体系结构、协调控制策略等进行演示和验证,文中基于实时网络提出了一种新型的多AUV虚拟仿真测试平台;在此基础上,研究了该虚拟仿真测试平台实时仿真技术方案的结构与组成,并对其实时网络通讯方法,仿真计算机的实时仿真方法等关键技术进行了详细的说明,最终给出了多AUV协同航行的实时仿真视图;试验结果表明该技术方案工作可靠、使用方便、易于开发与维护,完全能够满足多AUV虚拟仿真测试平台进行仿真测试的需要.     

洋流影响下基于运动矢径的AUV协同定位方法

针对水下自主航行器（AUV）协同定位受水下未知定常洋流影响的问题,给出一种洋流影响下基于运动矢径的AUV协同定位方法.利用AUV的运动学方程和基于运动矢径的量测方程,建立AUV的导航模型;通过扩展的卡尔曼滤波,设计了协同定位滤波算法;利用该算法对洋流速度进行估计,以补偿AUV定位误差.仿真结果表明,该算法能有效估计未知定常洋流速度的大小,并对AUV定位误差进行实时补偿,显著提高了AUV的定位精度.     

多AUV协同导航问题的研究现状与进展

自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle, AUV)协同导航是未来50年解决水下中间层区域AUV导航定位的重要方法. 本文针对多AUV协同导航, 对该领域相关问题的研究进展进行了综述, 包括: 1)论述多AUV协同导航领域的研究现状, 包括协同导航问题界定、特点综述与讨论; 2)分析多AUV协同导航系统模型及相关算法的研究进展, 包括基于优化的、 基于参数估计的和基于贝叶斯估计的滤波算法; 3)对协同导航网络下的误差建模与补偿方法的研究进展进行了综述, 包括未知洋流的影响、水声通信延迟补偿等; 4)从影响协同导航定位精度的角度出发, 对AUV协同导航的可观测性与编队最优构型设计的研究进展进行了一系列的分析; 5)陈述目前多AUV协同导航中存在的关键问题, 并讨论其发展趋势.     

基于多AUV间任务协作的水下多目标探测机制

利用自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）对水下多目标进行协同探测是目前海洋技术领域的研究热点。本文主要研究在水下三维区间内的多AUV任务分配与协作探测机制,建立了以每个AUV能量耗费与能耗均衡为约束条件的水下三维空间中的多旅行商（Multiple Traveling Salesman Problem, MTSP）问题模型,利用遗传算法（Genetic Algorithm, GA）对该NP-Complete问题进行启发式求解,同时设计了考虑巡航总路径及访问目标数的适应度函数以提高多AUV间的能耗均衡性,实现多个AUV对多个水下目标的优化协同探测。最后本文利用Matlab R2014a软件对多AUV任务协作与多目标探测机制进行了仿真,仿真结果验证了该方法能够均衡多AUV多目标探测问题的能量消耗,进而提高巡航速度和生命周期。     

AUV 水下着陆策略研究

水下自航行器（AUV）的续航能力主要取决于其所携带能源总量．为了有效地减少能耗,提出了 一种具有变浮力系统、能够着陆坐底的小型AUV,它可以利用有限的能源实现长时间的海洋环境监测．首先 介绍了该AUV 的总体结构,然后对AUV 的着陆策略进行了详细研究．在对三种着陆策略进行对比的基础上, 选择下潜航行到位控制注水着陆策略作为最佳的水下着陆方案．该策略能够使着陆时的冲击力保持在安全范 围内,并且着陆时间最短．最后对着陆轨迹进行规划．仿真和水域实验的结果都证明采用该着陆策略能够安 全、平稳地实现水下着陆．     

鲁棒H∞滤波器在AUV航向控制中的应用仿真

研究设计了一个鲁棒H∞滤波器来解决自治水下机器人（AUV）航向控制系统中部分难以测量状态变量的估计问题，并将其应用在AUV的航向控制系统中．建立了自治水下机器人在体坐标系下水平面运动的运动方程，并在特定的工作点对方程进行了线性化处理，得到了自治水下机器人的控制设计模型．基于线性矩阵不等式（LMI）方法对AUV航向控制系统设计了一个鲁棒H∞滤波器,并对该滤波器应用于AUV航向控制系统进行了仿真试验．仿真结果表明，该鲁棒H∞滤波器能够较好地抑制测量噪声的影响，较准确地估计出系统的状态变量，能够提高AUV航向控制系统的控制品质．     

基于贝叶斯网络的水下AUV健康管理方法

随着自主式水下航行器(AUV)系统不断向自动化、智能化方向发展,系统结构和功能也越来越复杂。针对AUV健康管理系统中未能充分挖掘多源数据中隐含的有效信息的缺点,提出了基于朴素贝叶斯网络的AUV健康管理方法。首先,采用朴素贝叶斯网络与数据结合的方式构建AUV的健康管理系统;其次,计算该系统各部件和子系统的健康指标,并对整体健康情况进行评估;最终,输出AUV系统的健康状态和寿命指标结果,得到AUV系统的健康指标。利用Visual Studio和MATLAB作为仿真平台实现该方法并对结果进行验证,实验结果表明,该方法可以实现对不同健康程度的量化分析和表达,可确保AUV健康长久地运行。     

基于CAN总线的自主水下航行器分布式控制系统设计

提出一种基于CAN总线的分布式控制系统设计方案,该总线主要搭载任务控制系统、导航控制系统、运动控制系统、安保系统四个节点。将自主水下航行器的功能分布到不同的控制节点,具有较好的体系结构,且便于维护与升级。不同于集中式控制系统,当系统内需增加其他功能模块时,无需修改硬件部分可直接接入控制系统,便于控制具有很好的实时性与可扩展性。最后通过湖试结果显示,自主水下航行器航行稳定,分布式控制系统运行良好,验证了该设计的可靠性与有效性。     

自主式水下航行器载荷分离运动仿真研究

自主式水下航行器是由载荷和运载体组成的一个多体系统.从其功能仿真模型出发,研究了载荷和运载体的分离过程.通过分析分离过程中航行器受到的约束和流体动力的影响,利用多刚体动力学的方法理论,建立了在载荷和运载体存在约束情况下的航行器纵向运动方程,同时根据刚体运动的6自由度方程,给出了载荷与运载体分离后达到安全距离过程中的功能模型.基于上述模型进行了仿真,比较了不同速度和不同顶定分离角对载荷和运载体分离过程的影响.仿真和分析结果证明了模型的合理性和有效性,对实际工程应用具有一定的参考价值.     

Nonlinear model predictive control for hydrobatics: Experiments with an underactuated AUV

Hydrobatic autonomous underwater vehicles (AUVs) can be efficient in range and speed, as well as agile in maneuvering. They can be beneficial in scenarios such as obstacle avoidance, inspections, docking, and under-ice operations. However, such AUVs are underactuated systems—this means exploiting the system dynamics is key to achieving elegant hydrobatic maneuvers with minimum controls. This paper explores the use of model predictive control (MPC) techniques to control underactuated AUVs in hydrobatic maneuvers and presents new simulation and experimental results with the small and hydrobatic SAM AUV. Simulations are performed using nonlinear model predictive control (NMPC) on the full AUV system to provide optimal control policies for several hydrobatic maneuvers in Matlab/Simulink. For implementation on AUV hardware in robot operating system, a linear time varying MPC (LTV-MPC) is derived from the nonlinear model to enable real-time control. In simulations, NMPC and LTV-MPC shows promising results to offer much more efficient control strategies than what can be obtained with PID and linear quadratic regulator based controllers in terms of rise-time, overshoot, steady-state error, and robustness. The LTV-MPC shows satisfactory real-time performance in experimental validation. The paper further also demonstrates experimentally that LTV-MPC can be run real-time on the AUV in performing hydrobatic maneouvers.     

稀疏水下传感网中AUV数据移动收集技术研究

由于水下传感器节点的水声通信距离有限、价格昂贵,水下传感器网络中一般采用稀疏方式部署,因此很难保证整体网络的连通性及数据采集效率。自主水下航行器AUV（Autonomous Underwater Vehicle）作为天然的移动数据采集平台,可以弥补固定Sink节点数据采集方式的缺陷。提出了一种基于移动AUV的水下传感网移动数据收集机制。以AUV覆盖区域内的传感器节点作为临时Sink节点,其他传感器节点以临时Sink节点为根节点,采用最小生成树MST（Minimum Spanning Tree）方法将传感数据传输到这些临时Sink节点,然后通过临时Sink节点将汇聚数据传输给AUV。随着AUV的自主移动轨迹,水下传感网的传感数据都能简单高效地被收集起来。仿真结果验证了该方法在保证网络能耗的前提下提高了数据采集效率。     

基于自适应Backstepping的欠驱动AUV三维航迹跟踪控制

为了实现欠驱动自治水下机器人（AUV）三维航迹跟踪控制,基于非完整系统理论分析了AUV缺少横向推进器时的欠驱动控制系统特性,并验证了欠驱动AUV存在加速度约束不可积性.基于李亚普诺夫稳定性理论,利用自适应Backstepping设计连续时变的航迹点跟踪控制器,以抑制外界海流的干扰.仿真实验表明,所设计的控制器能实现欠驱动AUV对一序列三维航迹点的渐近镇定,并且航迹跟踪的精确性和鲁棒性明显优于PID控制.     

基于DWK的AUV分布交互视景仿真

在建立远程低速回转体AUV的六自由度运动模型的基础上,设计了AUV六自由度视景仿真系统的总体结构,并基于国产分布式交互仿真软件平台DWK对远程低速回转体AUV的六自由度运动进行了视景仿真。结果表明本仿真系统很好地模拟了AUV的六自由度水下运动情况,可以在短时间内使设计人员对AUV的六自由度运动有系统直观的认识,对研究AUV的操纵性具有重要的意义。     

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器 (Autonomous underwater vehicle, AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型, 采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数, 避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程, 同时滤除了高频测量噪声, 增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路, 保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项, 保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性, 能够实现对三维路径的精确跟踪.     

一种水下机器人集成仿真系统的设计

在水下机器人的设计和开发过程中有一个严重的限制问题,就是由于水下机器人工作在较深的水中,因此很难观察到水下机器人的工作情况.针对实验室开发的新型水下机器人,该文的集成仿真系统提供了一个虚拟的海洋环境,和一些传感器的仿真,能够较为真实地模拟水下机器人的工作过程.它允许研究人员在实验室里方便地进行测试,并通过三维实时的图形场景对机器人的工作过程进行监控.最终通过仿真试验,完善了机器人控制系统的设计.