变化海流环境下AUV能量最优三维路径规划

为获取变化海流环境下自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)的能量最优路径, 基于最优控制理论提出一种用于AUV的三维能量最优路径规划算法。首先, 为了有效抑制海流对路径规划的影响, 将海流向量加入到AUV运动学模型中。其次, 在已知俯仰角及AUV位置的情况下, 利用庞特里亚金极小值原理, 获得能量最优控制律。最后, 利用线性定常系统的状态空间理论, 计算得到初始艏向角、航速以及能量消耗。在仿真环节, 通过与负反馈控制策略相比较, 说明所提算法能够规划出三维能量最优路径, 而且可以有效降低AUV的能量消耗。     

基于粒子群优化算法的USV集群协同避碰方法

针对无人水面艇(unmanned surface vessel, USV)集群在路径规划中的协同避碰问题,提出了基于滚动优化策略结合粒子群优化算法的USV集群协同避碰方法。首先,通过已有雷达、光电等传感器参数指标建立综合视域模型;其次,采取基于正切函数的惯性权重调整结合线性调整学习因子的方法来提高粒子群优化算法的全局搜索能力,同时,在适应度函数中加入转艏角控制来提高路径的平滑性;最后,利用改进后的粒子群优化算法规划出每个综合视域内的路径。仿真实验结果表明,该优化算法能实现USV集群的实时避碰,并快速为USV集群规划出平滑、安全的全局最优无避碰路径。     

基于大范围海图数据的自主式水下潜器全局路径规划方法研究

在大范围海图数据环境中，应用遗传算法(GA)对自主式水下潜器(简称AUV)的全局路径规划问题进行了研究，介绍了基于栅格的环境模型及其数据结构，讨论了GA的染色体编码方式、基于知识的初始种群生成方法与适应度函数，基于领域知识设计了五种遗传算子。通过仿真结果可以看出：采用可变长编码方式使路径描述简单、清晰，算法具有收敛速度快、求解实际问题效率高的特点。     

基于改进神经网络的多AUV全覆盖路径规划

针对三维环境下的多自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)全覆盖路径规划问题,提出一种基于改进神经网络—Glasius生物启发神经网络（Glasius Bio-inspired Neural Network,GBNN）的全覆盖路径规划算法。对AUV的水下工作环境构建离散的三维栅格地图;根据栅格地图,建立相对应的三维GBNN模型;根据GBNN活性值的动态变化,AUV规划各自的搜索路径,对水下任务区域进行全覆盖搜索。仿真结果表示,多AUV可以协同完成覆盖搜索任务,能够自动避开各类静态和动态的障碍物,自动逃离路径的死锁区。     

海流建模及其在路径规划中的应用

对水下航行器进行路径规划时,除了要考虑所规划的路径长度外,还需要考虑所规划路径满足航行器能量消耗约束,其中海流是影响航行器能量消耗的重要因素,为考虑海流对路径规划的影响,这里提出了一种利用B样条曲面对动态海流环境进行建模的方法,并将海流对航行器能量消耗的影响作为约束函数应用到路径规划算法中,使航行器能够在路径的搜索过程中,综合考虑全局路径消耗和能量消耗,寻找能够实现目标函数最优的路径;另外考虑到海流各向异性、时变的特性,对路径规划算法进行改进,使航行器规划路径能够利用海流模型,避开局部湍流,并根据动态海流信息实时对所设计路径进行修正。通过仿真验证,将建立的海流模型应用到路径规划算法后,改进的路径规划算法可以利用海流减少航行器的能源消耗,根据海流的实时变化调整航行路径,航行器满足安全运动条件,并实现在满足能源消耗前提下的路径长度最优。     

一种自主水下航行器路径规划算法

提出了一种自主水下航行器穿越雷区的路径规划算法。将路径规划分为全局路径规划和局部路径规划两个部分,建立了水雷分布的Voronoi图,采用遗传算法规划出初步的全局最优路径。自主水下航行器按照全局最优路径航行时,利用前视声纳作为探测仪器。根据所测得的障碍物相对于自主水下航行器的位置关系设计出一个模糊推理系统(FIS)求解其避障角度,完成局部路径规划。仿真结果表明了这种算法的有效性。     

基于全局最优和差分变异的头脑风暴优化算法

针对头脑风暴优化(brain storm optimization, BSO)算法的选择操作中仅部分个体更新追随全局最优和变异操作中步长不能自适应的问题, 采用追随全局最优策略以充分利用全局最优信息, 并用差分变异代替原来的高斯变异以自适应调节变异步长, 提出了基于全局最优和差分变异的BSO(global-best difference-mutation brain storm optimization, GDBSO)算法。通过6个标准测试函数极值寻优的Matlab仿真对比研究表明GDBSO具有优良性能, 较好地解决了原BSO搜索效率低的问题, 提高了算法的寻优精度和收敛速度。GDBSO结合自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)路径规划应用的仿真验证了算法的有效性和可行性。     

可变洋流环境中自主水下航行器动态路径规划的改进QPSO算法

为更好地完成水下探测任务,提升潜行效率,本文提出了自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)在可变洋流中的全局路径规划方法.首先,识别潜行区域地形与静态障碍物,建立以三维空间路径最短与路径平滑度最大为约束的多目标函数,利用提出的改进QPSO算法求解,生成初始路径;其次,考虑水下环境中不确定障碍物的存在和时变洋流的干扰,将动态障碍物信息更新在控制图上,用高斯噪声对洋流速度进行估计,确保AUV实现动态躲避与适应洋流变化以输出稳定的速度;最后,建立观测与惩罚函数来实时调整初始路径,得到更为科学合理的潜行路径.仿真结果表明,本文提出的全局规划方法求解的路径能使AUV潜行更加平稳与安全,使其具有更好的自主能力;所提改进算法与常规算法对比,改进的QPSO算法求解多目标离散问题所得解的精度与质量更好.     

基于改进鲸鱼优化算法的AUV三维路径规划

自主水下机器人(autonomous underwater vehicle, AUV)已成为不同领域多种水下作业最有效的装备之一。针对其全局路径规划问题，提出了一种基于改进鲸鱼优化算法的求解方法。首先对于建模问题，在环境模型中，鉴于三维空间中设置路径点的复杂性，给出了基于连接型快速扩展随机树(connected rapidly-exploring random tree, RRT-Connect)的建模方法；在数学优化模型中，综合了路径平滑度、下潜梯度和航行时间等3项评价准则，并考虑了强海流及障碍物带来的相关约束。然后针对上述模型，提出了一种改进的鲸鱼优化算法。引入了基于问题连接结构的优化思想，据此在线构建了关键子集族和有效子集族，用于实时发现关键度和有效度较高的连接集，并增大其重复利用率，以提高算法的收敛速度和精度。此外，为更全面有效地利用历史进化信息，设计了多学习集构造个体引领者及联合引导策略，以进一步增强算法的整体性能。最后根据实际海底地形信息和不同海流模型，设置了多种路径规划情形进行仿真实验。结果表明，相对于文献中其他鲸鱼优化算法和经典算法，所提算法在求解精度、收敛速度和稳定性...     

基于混合模糊P+ID控制的欠驱动AUV路径跟踪控制及仿真

针对欠驱动自主水下机器人(AUV)水平面路径跟踪控制问题进行研究。基于解析形式描述的单输入模糊控制器,提出了一种混合模糊P+ID控制算法。将其应用于欠驱动AUV路径跟踪控制中的趋近角跟踪控制,研究了控制器设计和参数调节方法,并采用小增益定理对基于混合模糊P+ID控制的趋近角跟踪控制系统的稳定性进行了分析。最后,采用欠驱动AUV非线性动力学模型进行仿真研究,结果表明基于提出的混合模糊P+ID控制的欠驱动AUV路径跟踪控制系统具有很好的鲁棒性和适应性,AUV能够精确跟踪预规划的航行路径。     

基于双水听器的多自主水下航行器协同导航方法

协同导航定位是实现多自主水下航行器(multiple autonomous underwater vehicles, MAUVs)协同作业必须解决的关键问题。针对主从式MAUVs,提出了一种基于双水听器信号的MAUVs协同定位方法。在主从式结构中,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,从AUV通过水声测量确定出相对距离和相对方位角,再辅以主AUV精确位置,得到从AUV精确位置。研究结果表明,利用主AUV作为协同导航定位,可以显著提高群体的导航定位精度。     

基于粒子群算法的地磁匹配航迹规划

针对无人机地磁匹配航迹规划问题,提出了一种基于粒子群优化算法的航迹规划方法.借鉴稀疏A-Star搜索算法的思想,将约束条件结合到搜索方法中,给出了基于地磁网格图的航迹节点扩展方法.结合无人机的机动性能约束和地磁匹配的自身特点,设计了一种适用于地磁匹配的航迹性能评价函数作为粒子群的适应度函数.仿真实验的结果表明:生成的航迹能够满足地磁匹配导航要求,且具有威胁规避的能力.最后,针对只在中制导段采用地磁匹配的情况提出了初步的解决方案,保证无人机顺利进入地磁匹配航迹段.     

基于随机信标的水下SLAM导航方法

研究了基于随机信标的水下同时制图定位(simultaneous localization and mapping,SLAM)导航定位方法。信标导航是目前导航领域的研究热点,但往往需要提前对信标位置进行标定。对此文中提出一种无需位置标定的随机信标导航方法,即在信标随机散布的情况下,通过量测信标和航行器间的距离和方位,用SLAM方法对随机信标位置进行估计,从而实现对航行器的导航,并在不同的信标密度和观测误差下分析了其导航精度。仿真结果表明,该导航方法具有良好的收敛性和定位精度。     

基于粒子群优化算法的无人战斗机路径规划方法

对于无人机的路径规划问题,从和机器人路径规划问题的差别入手,通过粒子群优化算法对有限数目的采样航点的优化,使用高次B样条曲线拟合出满足路径最短且威胁最小的无人战斗机的飞行路径。研究了路径规划约束的数学模型、粒子构造方式和粒子的评价适应度函数。通过仿真对目前出现的基于粒子群优化算法的无人机路径的多项式拟合方法和所提出的基于B样条拟合的方法进行了比较。仿真结果表明,使用粒子群算法优化出来的B样条曲线比多项式拟合法和几何方法更加合理有效。     

基于距离测量的双领航AUV间协同导航算法

针对多自主水下航行器(AUV)编队中因领航AUV一时无法借助外部有源位置信息进行实时校准,自身定位误差逐渐增大可能导致的编队解体问题,提出了一种基于距离测量双领航AUV间协同导航算法.在给出领航AUV航位推算误差模型的基础上,首先设计两个领航AUV分别基于忽略对方位置误差的估计自身误差的滤波算法,然后提出其位置误差的分别修正算法,最后通过对位置误差估计的可观测性分析,指出在直线航行条件下两个领航AUV可通过加、减速进行相对机动,保证其可观测性.仿真结果表明:两个领航AUV存在航位推算位置误差的情况下,随着滤波时间增加其定位误差可逐渐趋同,并收敛到其经、纬度定位误差的均值,验证了本文所提协同导航算法的可行性和有效性.     

自主式水下潜器导航仿真系统研究

基于Windows网络平台用VC 语言开发出了自主式水下潜器(简称AUV)导航仿真系统,论述了仿真系统的体系结构、网络通信和数据交换;详细介绍了仿真系统中运动载体计算机和导航设备计算机的软件实现方法和关键技术;对重力匹配和地形匹配算法也作了相应的介绍;对仿真平台进行了仿真验证分析。结果表明,该仿真系统结构合理可靠,各子系统采用的数学模型和仿真算法正确可信。该仿真系统可作为演示、验证和评估AUV导航系统正确性、有效性和实用性的先进手段和科学方法,并已得到实际应用。