大潜深AUV纵向变结构控制研究

针对大潜深AUV大幅变深时弹道参数变化显著、小扰动线性化模型偏差大的问题,提出了一种易于实现的纵向运动变结构控制方法.设计了控制切换函数和控制算法,分析了系统在状态空间内的运动,证明了切换面的可到达性和控制算法的稳定性,给出了消减控制抖振的改进方法.应用Simulink编程,进行了AUV六自由度运动仿真.仿真结果表明,采用改进的纵向变结构控制,AUV变深速度快、航迹平滑,控制效果好.     

无速度测量下基于信息耦合度的自主水下航行器分群控制算法

自主水下航行器（AUV）的分群控制,表征为AUV群集在外部刺激下自发分裂成多个子群的行为。针对无速度测量下AUV群集（SAUV）的分群控制问题,提出了一种基于信息耦合度的分群控制算法。该算法利用信息耦合度表征AUV间的交互作用强度,并通过对个体运动的动态调节实现群集行为的分化。在此基础上,针对AUV分群过程中无速度测量的情况,通过设计分布式观测器对邻居速度信息进行实时估计,并将最大信息耦合度邻居的位置信息融入分群控制律中,实现了外部刺激下AUV群集的自发分群运动。理论分析和仿真实验均验证了所提分群控制算法的可行性和有效性。     

人工势场和虚拟结构相结合的多水下机器人编队控制

传统的多水下机器人（AUV）编队算法,例如领航跟随法、虚拟结构法,对编队形成过程中AUV间的避碰问题和编队行进过程中的避障问题,没有进行有效解决。人工势场法可利用势函数进行避碰、避障,但队形组织能力略显不足。针对上述问题,提出了一种人工势场和虚拟结构相结合的多AUV编队控制算法。将系统分为3个部分：编队参考点、虚拟结构质点和AUV. 以编队参考点为中心形成期望的虚拟结构以组织队形;虚拟结构质点以期望的虚拟结构为运动目标,并在运动的过程中,通过人工势场斥函数,实现避碰和避障;AUV对虚拟结构质点进行目标跟踪,从而渐进形成AUV的队形。通过编队路径跟踪、编队队形变换和编队避障等一系列仿真实验,对算法的可靠性和灵活性进行充分验证。实验结果表明：在随机的初始位置条件下,多AUV系统可以快速无碰撞地形成队形;在编队行进过程中进行灵活的队形变换,并对障碍物有效避碰。     

基于BP网络的双舵型AUV深度控制算法应用

为了提高艏艉双水平舵配置的AUV定深航行过程中艏艉舵的控制策略,提出了采用BP网络算法自主优化艏艉舵进行定深航行。该算法以AUV的深度和俯仰角等变量作为输入,艏艉舵角作为输出,并根据实际情况自动分配艏艉舵角。通过对该AUV控制算法进行数值仿真发现:该算法在定深航行过程中,可自主优化艏艉水平舵的打舵策略,改变俯仰角实现深度控制,定深航行误差不超过0.15 m,控制效果良好。     

基于人工矢量场的AUV自主回收路径规划

针对自主水下航行器（AUV）水下自主回收过程中的路径规划问题,采用人工矢量场法规划回收路径。将回收过程划分为回坞导引阶段和入坞阶段,其中回坞导引阶段以入坞预备点为目标点,使用传统的人工矢量场法为AUV规划出一条无障碍路径;而入坞阶段则采用模糊变系数矢量场法,定义回收入口处的3个虚拟目标点,将AUV到回收中轴线的距离作为输入,通过模糊规则调整虚拟目标点的引力系数,使人工引力场的梯度方向指向回收入口,AUV沿光滑的入坞路径以期望的姿态驶进回收入口。仿真结果证明了该路径规划方法的有效性。     

基于Vxworks的AUV软件模块化设计方法

针对传统AUV控制软件继承性差、开发效率低的问题,研究Vxworks操作系统下AUV的控制软件模块化和分布式设计方法,通过采用服务器-客户端星型通信拓扑结构及统一模式的数据通信方式,使得客户端软件模块具有一定的独立性和通用性,提高控制系统的继承性和开发效率。经过AUV平台海上测试,证明这种方法提高了系统的可靠性和稳定性。     

基于系统论方法的AUV测试系统

随着自主式水下机器人（AUV）实现功能日趋复杂,对其研究引起了人们的极大兴趣,但传统的测试手段已不适应现代的复杂系统。本文简要介绍了开放的复杂巨系统的基本概念,并从系统学的角度出发,提出了一个新的AUV测试系统。该测试系统是一个能够对AUV的体系结构以及编队协同等进行演示验证的实时半实物仿真系统,是开展AUV研发的有效手段。给出了基于web的测试系统的研究模型与总体框架,并对AUV实时仿真模块进行了深入剖析。远程AUV测试系统的采用为提高安全性以及减少试验成本与研发周期提供了有效的解决途径。     

基于人工势场法的微小型AUV避障运动方法研究

人工势场法算法简单、易实现,且易与环境形成闭环控制,适合计算能力偏低的微小型AUV使用,但传统人工势场法进行避障运动研究时往往忽略AUV本身特性约束。对有障碍物威胁环境中的AUV避障运动进行了研究,通过添加AUV本身特性的影响,对传统人工势场法进行改进,建立了一种基于人工势场法的微小型AUV避障算法。通过对AUV的避障运动进行仿真试验,得到了各时刻AUV的空间位姿、运动轨迹以及速度航向变化,验证了该方法的可行性。     

事件触发的多AUV编队模型预测控制算法

针对复杂环境中自治水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)编队的避障控制问题,提出一种基于事件触发的模型预测控制(model predictive control,MPC)算法。建立水下机器人运动模型,结合领航-跟随式队形控制方法,利用领航AUV的位置信息和编队期望队形得到虚拟AUV的航行轨迹及速度信息,将其作为跟随AUV的航行参考轨迹;对传统人工势场法(artificial potential field,APF)进行适应性改进,以满足AUV编队在障碍物环境中避障规划的需求;设计一种基于跟随AUV轨迹预测值与实际值误差的事件触发机制来减少求解优化问题的计算量,降低计算负担。结果表明：与其他算法相比,该算法仿真结果具有可行性和有效性。     

自主水下航行器回收过程中螺旋桨推力特性分析

在自主水下航行器 (AUV) 水下回收过程中,螺旋桨的推力特性对AUV的稳定性控制及安全性能等影响非常明显。主要基于计算流体力学方法,采用多块混合网格技术结合RNG k-ε湍流模型,对AUV在不同回收工况下的螺旋桨推力特性展开数值模拟。建立AUV及螺旋桨的三维几何模型;基于多块混合网格方法对计算域进行空间离散,同时采用动网格技术实现螺旋桨与回收管的相对运动及自身旋转运动;利用有限体积法展开数值计算。基于计算数据与试验数据的对比及数值无关性测试,表明所使用的多块混合网格方法能够对AUV回收过程螺旋桨推力特性进行准确计算,为AUV水下回收过程的控制及安全性能评估能够提供理论参考。     

一种基于量测伪距的EKF移动长基线AUV协同导航方法

在移动长基线(MLBL)定位中,由于水声信号在水中传播速度较慢,以及被定位AUV的白身运动,导致AUV与不同浮标的距离是在不同时间不同位置测量产生的,所以应用移动长基线会产生一定的时间延迟定位误差.本文针对该定位误差,提出了一种基于量测伪距的EKF移动长基线时间延迟算法,该算法利用扩展Kalman滤波,通过对AUV的位置状态的前推,重构了系统的量测方程,实现了量测方程同系统的量测量在时间上的一致性,有效地解决了时间延迟产生的误差.理论分析与仿真结果均表明,该方法可以显著提高导航定位精度.     

自主水下航行器多终点航路规划的距离正则化混合水平集算法研究

为进一步提升水平集算法求解自主水下航行器(AUV)时间最优航路的计算效率,结合局部化思想和多项式距离正则化方程,提出一种用于AUV多终点航路规划的混合水平集算法。通过引入简单多项式距离正则化项,融合海流模型,推导新的水平集演化方程,并给出数值实现方法。所提算法无需重复初始化窄带且一次演化就能获得至多终点的所有最优航路集,解决了AUV多终点航路规划时计算效率不高、规划时间过长的问题。仿真结果表明,相较于蚁群算法和量子粒子群算法,在AUV的多终点航路规划中,混合水平集算法计算效率是蚁群算法的6.4倍,是量子粒子群算法的1.6倍,且鲁棒性更佳。     

基于图像声纳SLAM算法在AUV组合导航中的应用

为了在有限的体积、功耗及成本范围内提高自主水下航行器（AUV）远程、深海导航定位精度,提出了将基于图像声纳的同时定位与地图创建（SLAM）方法应用于AUV水下组合导航系统,利用图像声纳获取AUV与地形特征点之间的距离和3D方位数据,结合捷联惯性导航系统（SINS）得到的导航数据,通过扩展卡尔曼滤波（EFK）方法对载体状态和地图状态进行连续并行估计和量测,将得到的误差估计反馈回SINS进行修正,可抑制其随航行时间和距离增加的姿态、速度和位置误差。此外,在地形特征点向量中加入声学尺寸元素,可提高特征识别的准确性。仿真结果表明,在持续观测到有效的地形特征点条件下,惯导误差得到了较好抑制,特别是在AUV返程或往复巡航过程中,重复观测到同一地标时,可大幅提高水下组合导航的定位精度。     

基于ADAMS仿真的自主水下机器人入坞碰撞分析与导向结构优化研究

结合自主水下机器人(AUV)于千岛湖水下对接试验,对自主研制的水下对接装置导向性能进行研究。在分析AUV水下受力状况和接触碰撞参数基础上,建立AUV入坞碰撞过程的ADAMS物理仿真模型,通过比较试验结果和仿真结果中AUV姿态和前向速度的变化,验证仿真模型的有效性。从AUV入坞偏距和AUV入坞夹角两方面分别探讨凸形罩、锥形罩和凹形罩3种典 型导向结构的导向能力,分析对比仿真结果,对导向罩母线曲率进行改进设计与优化、得到S形罩。 多次仿真发现：在AUV入坞姿态相同条件下,S形罩能够调整的AUV入坞偏距最大为100 cm,比凸形罩提高20 cm;S形罩能够调整的AUV入坞偏角最大为22°,比凸形罩降低1°;但S形罩产 生的碰撞力和AUV入坞时间都有所下降,调整AUV运动趋势效果明显改善。在水池对凸形罩和S形罩分别进行AUV入坞偏距和AUV入坞夹角两方面试验,结果表明S形罩的导向性能有明显改善。     

基于EASY5的AUV热动力系统建模与仿真

在实现水下航行器的智能化,优化弹道,提高技战性能等方面,水下航行器热动力装置采用闭环控制相对于开环控制具有明显的优势。该文以新型多速制燃料流量闭环控制水下航行器热动力系统为原型,研究了基于EASY5的水下航行器热动力系统建模与仿真,建立了仿真对象的数学模型和规范的模块化仿真模型,进行了水下航行器热动力系统设计工况（稳态）、启动过程及变工况的实时仿真。通过将仿真结果与水下航行器台架试验数据进行对比分析,结果表明,所建立的模型较为完整、准确,仿真运行可靠,研究成果满足工程需求。     

一种水下航行器轨迹发生器的设计与仿真

为了减少水下航行器（AUV）导航系统算法开发过程中跑车试验及半实物仿真等所耗费的资金和时间,提出一种水下航行器轨迹发生器的设计方法。利用所给出的轨迹微分方程,反推得出生成轨迹参数公式和惯性信息公式,同时给出水下航行器在直航、转弯和爬潜等常见的运动状态下轨迹发生器的具体输入,并将生成的惯性量测值（加速度和陀螺值）输入捷联式惯性导航算法。验证结果表明,利用所设计的轨迹发生器可以为研究导航算法提供模拟的数据,具有工程实际意义。     

A Multidisciplinary Design Optimization Model for AUV Synthetic Conceptual Design

Autonomous undersea vehicle （AUV） is a typical complex engineering system. This paper studies the disciplines and coupled variables in AUV design with multidisciplinary design optimization （MDO） methods. The framework of AUV synthetic conceptual design is described first, and then a model with collaborative optimization is studied. At last, an example is given to verify the validity and efficiency of MDO in AUV synthetic conceptual design.     

海流环境下AUV 航行偏移影响研究

针对不同海流环境会对自主式水下无人航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)航行船位产生不同程度偏移的问题,构建一种海流环境下AUV运动模型,并基于海流区内AUV航行船位距离偏移及船位方位偏移评价指标,分析海流环境对AUV航行偏移的影响规律。结果表明：当海流流向或流速达到一定量值时,对AUV航行船位的距离和方位偏移影响陡然增加;相比海流流向,海流流速对AUV船位偏移影响更为直接;不同方向及大小的海流在一定情况下会对AUV航行船位偏移产生一致的影响;通过设置AUV船位偏移阈值,可为AUV航路规划提供辅助决策,避开存在相应海流阈值的海域,从而提高AUV对武器、装备及物资的远距离精准投送能力。     

存在时延的网络控制系统控制算法设计

研究基于网络控制原理的时延问题。分析了网络控制系统的一般模型。针对存在时延的网络控制系统，提出网络时延的控制算法设计，同时通过对水下航行器网络控制系统模型进行仿真实验．使用补偿观测器和有效的控制算法来减弱对控制系统稳定性的影响。论文旨在通过对存在时延的网络控制系统结构的控制算法研究．设计出理想的网络控制系统控制器。     

洋流影响下基于单领航者的多AUV协同导航

自主水下航行器（AUV）的协同导航是海洋工程研究中的重要问题,洋流估计是其中的主要难点之一。该文基于＂未知定常＂的洋流特性假设,结合单通信和导航辅助AUV（CNA）领航的协同定位原理,建立了洋流干扰下多AUV协同导航的定位转移损失函数。利用损失函数极小化方法给出了协同导航的定位最优估计准则,借助该准则得到了洋流误差估计和协同导航算法,实现了对AUV较为实时精确的定位。仿真结果表明,该算法能够较好地解决定常洋流作用下的多AUV协同导航问题,且定位精度较高,实时性好。研究成果有望为多AUV系统总体设计、导航路径规划及跟踪等方面提供理论基础和研究手段。