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.     

AUV巡航路径规划建模及仿真研究

针对自主水下航行器在复杂、未知海洋环境中的路径规划难题,提出改进蚁群算法,建立具有31个巡航点的AUV(Autonomous Underwater Vehicle)路径规划模型。结合算法特点,对该模型进行仿真实验,通过实例分析了算法中相关参数对获取最优解的影响,得到了AUV巡航的最佳路径图。     

一种改进的多AUV协同导航数学模型

自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)代表了未来水下航行器发展的方向,多AUV协同导航系统通过信息的共享,可以获得单AUV导航系统无法具备的优势。分析了多AUV协同导航基本原理和两种网络结构的优缺点,提出了一种新的改进的多AUV协同导航网络结构,并推导出了其运动模型和量测模型,为后续协同导航算法的研究打下了基础。     

基于LabVIEW/Matlab的AUV半实物仿真系统设计

为解决大型自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）实际实验环境搭建的困难,以及AUV控制系统各单元功能测试的需要,设计了一套新的Windows平台下基于LabVIEW/Matlab的AUV半实物仿真系统。该仿真系统基于三维空间的水动力模型,来实时计算AUV的位置和姿态等信息;同时,模仿Phins、GAPS、定高高度计、避障声呐等传感器,和AUV甲板、主控以及运动控制单元进行串行和以太网络通信,实现了AUV的运动仿真,同时也为制定运动控制策略提供相关依据。大量实验表明,该系统模型较合理,软件设计可行,具有灵活的扩展性和伸缩性,在AUV控制系统测试实验中成功应用。     

UWSNs中基于AUV移动的覆盖盲区修复算法

提出了一种水下无线传感器网络(UWSNs)中基于自主水下航行器(AUV)移动的覆盖算法。首先将要覆盖的区域网格化,然后以适当的策略遍历各个小格,从而实现盲区的覆盖修复。该算法克服了水下环境复杂未知、覆盖场景多样化而难以可靠覆盖的问题,同时使得AUV路径移动消耗最小化。文中还对3D场景和多AUVs协同等情况进行了分析和探讨。仿真实验表明,该算法在覆盖盲区规则、不规则或不连续等场景下均有较好的表现。     

AUV辅助的水下传感器网络时钟同步算法

针对当前水下传感器网络中的时钟同步难题,设计了一种三元阵被动定位自主水下航行器（ AUV）模型,并基于此模型提出了AUV辅助的时钟同步（ AUV-Sync）算法。该算法通过AUV与节点之间相对运动过程中进行的信息交换来对节点相对距离进行估计,进而基于相对距离计算单向传播时延来降低由于节点移动性所导致的误差。最后,通过两轮加权最小二乘法进行线性回归来估计时钟同步的参数。仿真结果表明：在存在节点漂移的动态水下传感器网络环境中,该算法较其他相关算法有更高的精度。     

基于移动长基线的多AUV协同导航

基于扩展卡尔曼滤波（EKF）理论研究了多AUV 协同导航定位的移动长基线算法．移动长基线多AUV协同导航结构中,主AUV 内部装备高精度导航设备,从AUV 内部装备低精度导航设备,外部均装备水声装置测量相对位置关系,利用移动长基线算法融合内部和外部传感器信息,实时获取从AUV 的位置信息．建立了协同导航系统数学模型,设计了EKF 协同导航算法,在各种测试情况下通过仿真验证了所推导的分析结果,对EKF 和几何解方程算法的导航效果进行了比较．研究结果表明,以主AUV 作为移动的长基线节点时,通过EKF 算法可以显著提高群体的导航定位精度．     

欠驱动AUV的直线航迹跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器的水平面直线航迹跟踪控制问题。针对传统方法所设计的直线航迹跟踪控制力矩较为复杂的问题,提出了基于级联系统理论的控制力矩设计方法,并通过构造李亚普诺夫函数,推导出了具有全局渐近稳定的控制力矩。方法控制力矩设计简单并具有直观的理论稳定性分析,避免了传统控制方法所设计的控制力矩存在的复杂性问题。最后,仿真结果证明了控制器能保证闭环系统所有状态渐近稳定,达到了欠驱动AUV直线航迹跟踪控制目的,验证了所提出方法的有效性和可行性。     

考虑几何约束的AUV回收路径规划

结合3次B样条的曲率连续特性和遗传算法的全局搜索特性,提出了一种适合欠驱动AUV(自治水下机器人)的回收路径规划方法.算法给出连接始末位置的光滑3维路径,适用于AUV回收的归航阶段,能够保证AUV以合适的姿态进行后续的导引对接.首先,分析了AUV的欠驱动特性带来的几何约束问题,包括任务终端约束和运动约束.其次,根据B样条曲线的特性确定通过选取控制点序列来给出3维路径曲线的思路.第一步采用样板的方式确定一部分控制点使曲线满足终端约束条件,第二步将AUV的回转和升沉运动约束写入遗传算法,通过对解空间的启发式自适应搜索确定中间控制点,两部分控制点所决定的曲线满足所有的几何约束条件.最后,针对路径的生成和跟踪,设计了半物理动力学仿真试验,从几何的角度对比AUV航迹和路径.结果显示,路径与AUV的运动能力具有很好的匹配特性,能够保证跟踪结束时AUV的位置和姿态满足导引对接阶段的要求.     

基于Kalman滤波的AUV两位置对准方法

针对自主式水下潜器(AUV)的特定工作环境及导航系统对准精度的需求,提出一种基于Kalman滤波的两位置组合对准方法.建立系统误差模型,分析两位置组合对准原理,通过改变惯导系统误差模型中的捷联矩阵改善系统的可观测性,利用谱条件数求取两位置对准时系统参数可观测度.仿真结果表明,该方法能准确估计器件偏差,经补偿后能提高系统...     

基于极大似然估计的AUV水下地形匹配定位方法

针对自主式水下机器人(AUV)长时间水下作业时精确定位的需求,以多波束测深仪作为水下地形测量手段,利用极大似然法则对地形特征进行相关性分析,提出了一种基于极大似然估计的水下地形匹配定位方法.针对平坦地形区域似然函数出现的伪波峰的影响,引入费希尔判据准则对其进行约束,有效地剔除了伪峰值点,增强了对地形平坦区域地形特征的识别率.基于某电子海图数据和多波束测深仪海上试验数据的仿真结果,验证了该方法的有效性和实用性.     

一种面向AUV水下对接的双目视觉测距方法

水下对接技术是AUV的研究前沿和关键技术;AUV要实现水下对接,就必须实时准确地获取相对于对接目标的距离信息;根据水下对接中成像的特点,提出了一种基于纹理控制的金字塔互相关双目视觉测距算法,在实验室模拟海洋环境中进行圆形对接目标的测距实验,结果表明该算法能够精确地提取对接目标并实时给出有效的距离信息;进一步通过实验定量地说明了本算法中各项技术对于提高实时性的贡献;上述实验初步证明了本算法对于AUV水下对接的适用性。     

应用全局最小二乘法辨识AUV运动参数

用系统辨识的方法来估计AUV的水动力参数有很多优点,是当前研究的热点.考虑到AUV运动模型的特点,本文提出用全局最小二乘法(TLS)来辨识AUV水动力参数.首先分析了AUV运动模型,然后讨论了TLS及其与最小二乘法(LS)的区别与联系,提出了辨识模型并且利用仿真数据分别用TLS和LS两种方法进行了辨识,最后分析比较了两种方法的辨识结果得出结论.     

基于领航位置信息的AUV三维编队控制方法

研究了自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）三维环境中编队控制问题,应用领航一跟随式队形控制方法,仅利用领航者的位置信息及期望编队队形得到虚拟机器人的航行轨迹及速度信息,作为跟随者的航行参考量,应用反步及滑模控制方法为跟随者设计自适应控制律,使其轨迹收敛于虚拟机器人的轨迹,从而与领航者保持期望位姿关系。随后,在具体AUV动力学模型上,利用MATLAB／SIMULINK平台进行了编队控制的仿真研究,实现了预期的控制效果,验证了算法的有效性及实用性。     

基于人工势场法的AUV避障算法研究综述

简述了人工势场法的概念,分析了人工势场法的引力和斥力势场模型,指出了人工势场法在应用中存在的水下复杂环境问题、目标不可达问题、局部极小值问题;从考虑复杂障碍物因素和海流因素两方面阐述了水下复杂环境问题的研究现状,从对势场函数进行重新定义或对斥力势场函数进行修正两方面阐述了目标不可达问题的研究现状,从设置虚拟引导点等方面阐述了局部极小值问题的研究现状,并且阐述了几种组合避障算法的研究现状;从构造更完善的势场函数模型、考虑复杂海流因素影响、算法融合以及在算法中加入路径评价机制等方面对人工势场法未来的发展方向进行了展望。     

基于负荷曲线分类的电力负荷预测方法

根据负荷曲线的特性对负荷进行分类,用简单的模型描述和预测,对用户的月用电数据的预测结果表明,新方法能够得到更准确的结果,较准确地反映负荷变化情况.