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。     

GPS天线对近水面航行AUV操纵性的影响分析

在基于一定假设的条件下,建立了计算GPS天线流体动力的数学模型,并建立了GPS天线升出后对GPS导航定位精度影响的数学模型。对鱼雷形AUV通过GPS天线实现导航定位的典型操纵运动进行了仿真研究。结果显示,天线升出后对AUV的操纵性有明显的影响,但对GPS导航精度的影响很小,说明鱼雷形AUV仍然可以通过操纵运动稳定的完成在近水面的导航定位运动。     

波浪对鱼雷形长航程AUV微速操纵性的影响分析

在建立适合于鱼雷形长航程自主水下航行器(简称:AUV)微速操纵运动仿真的六自由度数学模型的基础上,基于线性波浪理论建立了波浪对鱼雷形AUV作用力的数学模型,并对 AUV在近水面做悬停运动以及下潜运动时的操纵性受海洋环境力的影响进行仿真研究,结果表明鱼雷形AUV在不同海况波浪的影响下可以稳定的完成定点悬停和垂直下潜运动;二级波浪对鱼雷形AUV操纵性的影响较小,四级波浪对鱼雷形AUV操纵的影响较明显;波浪对AUV操纵性的影响随深度的增加而迅速较小.     

AUV视觉系统的可视化技术研究与实现

AUV视觉仿真系统是一个能够对AUV视觉系统的软、硬件等进行验证的实时半实物仿真系统.简要介绍了AUV视觉系统的基本理论,提出了较为完善的AUV半实物仿真系统的研究模型与软件框架;在Vega Prime中利用纹理亮度方法解决了彩色仿真图像灰度化的问题,实现了对黑白摄像管的模拟;采用一种复杂的光线能量衰减公式,逼真的模拟出海底AUV聚光灯效果;该系统同时还提供了对摄像机的简单仿真.开发和应用结果表明,该系统实时性好,效果逼真,对AUV视觉软、硬件系统开发、测试具有重要的意义.     

水下机器人自主控制系统的设计与实现

水下机器人(简称AUV)的自主控制系统起着相当于人类"大脑"的作用,它是AUV的核心技术。本文在QNX操作系统下利用多线程技术设计并实现了AUV自主控制系统。介绍了AUV混杂系统结构和自主控制原理,给出了自主控制系统的多线程结构。设计了多线程同步模块,并与QNX消息传递机制相结合实现了AUV自主控制系统线程间的同步与通信。最后在半实物仿真平台上结合具体案例对自主控制系统进行了验证。仿真结果表明AUV自主控制系统能够正确协调各个线程自主完成使命。     

基于前视声呐信息的AUV避碰规划研究

在复杂海洋环境中,利用前视声呐获取的障碍物信息指导自治水下机器人（AUV）进行局部避碰。主要采用强化学习的方法对AUV进行控制和决策,综合Q学习算法、BP神经网络和人工势场法对AUV进行避碰规划。强化学习的方法强调AUV在环境的影响中学习,通过环境对不同行为的评价性反馈信号来改变行为选择策略。并且在环境发生变化时,AUV通过学习来实现对新环境的适应,不断改进其自治能力,进而实现在不确定环境下的避障任务。开发了AUV运动规划的虚拟仿真软件系统,仿真实验证明了算法的合理性与可行性。     

基于偶极势场的自主水下航行器回坞导引算法

针对欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)的自主回收问题,提出了基于偶极势场的一种回坞导引算法。将回坞过程分为回坞准备阶段和回坞阶段,其中回坞准备阶段利用航路点导引为AUV规划出一条路径,使AUV到达回收站的一定范围之内,保证AUV可以对回收站上的两个应答器进行准确定位;而回坞阶段AUV根据获得的应答器的测量位置计算出AUV在对接系下的坐标,利用建立的偶极势场导引AUV沿入口方向进入回收站。采用自适应非奇异终端滑模控制,保证航向角跟踪控制的鲁棒性和自适应性。仿真结果表明,所设计的回坞导引算法是有效的。     

高空空投AUV全弹道建模与仿真

高空空投AUV(Autonomous Underwater Vehicles——自主水下航行器)技术是一种集高空滑翔与水下自主航行于一体的综合研究,对其全弹道进行的建模与仿真是其概念设计阶段的重要内容,同时也是其设计的理论基础.根据高空空投AUV在运动过程中的主导因素不同,将其全弹道进划分为了六介阶段.在分析高空空投AUV各个阶段的结构、受力与环境等主要特点的基础上对其全弹道中的滑翔阶段,减速阶段和水下阶段三个稳态阶段,分别建立了相应的弹道仿真数学模型,并对各阶段数学模型特点进行了对比与分析.依据所建立的数学模型与SIMULINK模块化建模仿真理念搭建了高空空投AUV全弹道仿真平台系统.使用全弹道仿真平台对高空空投AUV的滑翔、减速和水下三个稳态阶段分别进行了仿真,并通过AUV水下阶段仿真结果与文献结果对比验证了数学模型与仿真平台的正确性.仿真结果表明,所建立的数学模型与仿真系统能快速准确的仿真出AUV各稳态阶段的运动弹道、速度与姿态变等动态特点.     

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。     

基于分层马尔可夫决策过程的AUV全局路径规划研究

自主路径规划是自治式水下机器人(AUV)自主能力的重要体现,是保障AUV在大范围复杂海洋环境中自主完成使命作业的关键技术之一。提出了基于马尔可夫决策过程的路径规划方法;并建立了基本的马尔可夫决策模型和结合状态聚类的分层马尔可夫决策模型,同时给出了两种规划的仿真实验及结果分析。实验证明,此类方法能够很好地求解大范围复杂环境内AUV的二维路径规划问题。     

基于拖曳长线阵的水下目标模拟系统

水下目标模拟系统对于水下航行体试验与训练、舰艇水声对抗与安全防御等具有十分重要的意义。基于水下目标声学多亮点回波理论,给出了多亮点目标宽带回波信号模型。通过计算机仿真,验证了目标回波各重要特征和目标回波信号模型的有效性。基于拖曳长线阵和高速数字信号处理技术构建了水下目标模拟系统,根据目标回波信号模型综合模拟了水下分布式多亮点运动目标声散射特性,准确模拟了目标不同部位声学亮点的空间方位分布特征。分别对点源目标、真实大尺度目标、拖曳长线阵目标模拟系统进行了声纳目标识别试验,结果表明,拖曳长线阵目标模拟系统的目标特性明显不同于点源目标,而与实际大尺度目标一致。     

基于倒三谱初始化的Bussgang类盲均衡算法研究

水声通信信道带宽非常有限。与自适应均衡算法相比,盲均衡算法不需要训练序列而节省了带宽,特别适合于高速水声通信和多点通信。Bussgang 类盲均衡算法计算简单,但收敛速度慢,且对权向量的初始化很敏感。不恰当的初始化会造成算法收敛到局域极小值。多谱类盲均衡算法收敛速度快,且是全局最优的,但计算量大,不利于硬件实现。本文利用倒三谱,根据倒三谱累积量方程,由一般数据计算得到倒谱参数,从而直接估计出均衡器参数,对Bussgang类算法进行初始化,大大加快了算法的收敛速度,保证了算法收敛到最优。通过对浅海信道均衡的计算机仿真,证明了该方法的有效性。     

基于复包络的目标回波信号高效仿真方法

目标回波信号是水声探测系统主要的信息来源。在水声对抗仿真系统中，目标回波信号的仿真逼真性和数据量又是制约仿真实时性的关键问题。因此，在仿真中有必要建立一种高效的目标回波仿真模型，既要真实仿真出实际系统中目标回波信号的特征，又要满足仿真实时性的要求。针对这一问题，提出了一种基于复包络的目标回波信号高效仿真方法，它以窄带信号的复包络为基础，综合了实际系统中多普勒频移和频率补偿的影响，更加符合实际目标回波的特征，且实时性好。该方法具有采样频率低，仿真数据量小的优点，能够满足仿真系统逼真性和实时性的要求，并已用于研制成功的水声对抗试验仿真系统，证明了该方法的正确性和有效性。     

基于OPNET的水声通信网络设计与仿真

水声通信网络是实现如海洋数据采集、离岸勘测与战术监测等水下系统无线信息传输的主要手段,但其性能受水声信道特性影响严重.为此,采用oPNET对水声通信网络节点模型与分层协议进行设计与实现,其特征包括基于CDMA的多用户检测以及RTS-CTS-DATA-ACK信道握手流程与网络分配向量(NAV)帧冲突处理机制等.同时建立并测试了一个包含1个主节点与5个传感器节点的水声通信网络,仿真结果表明主节点物理层采用多用户接收技术能够更好的克服冲突,减少数据包重发,从而获得更高水声通信网络的吞吐量,减少端对端传输延时与能量消耗.     

Self-adjusting decision feedback equalizer for variational underwater acoustic channel environments

Aimed at the abominable influences to blind equaliza-tion algorithms caused by complex time-space variability existing in underwater acoustic channels, a new self-adjusting decision feedback equalization （DFE） algorithm adapting to different under-water acoustic channel environments is proposed by changing its central tap position. Besides, this new algorithm behaves faster convergence speed based on the analysis of equalizers’ working rules, which is more suitable to implement communications in dif-ferent unknown channels. Corresponding results and conclusions are validated by simulations and spot experiments.     

基于OPNET的水声网络信道仿真研究

水声网络是实现海洋监测、数据采集以及战略通信等的重要手段,但其受水声信道特性制约严重。为此,从介绍水声信道的特性出发,采用Thorp经验公式模拟海水吸收特性,在此基础上对路径损耗进行仿真解算,并改进Wenz噪声模型使之更好地接近水声信道的特性。进而,通过改进OPNET平台内置的传播时延阶段、接收机功率阶段、背景噪声阶段设计水声信道OPNET模型,使其适合水声信道,基本实现对真实信道的近似模拟。最后,设计OPNET移动网络模型,将模拟的水声信道加进移动网络进行仿真,分析水声信道特性对网络性能的影响。     

船舶辐射噪声盲分离技术仿真研究

基于盲分离的思想，船舶辐射噪声可通过盲源分离技术重构出相应的原始辐射信号。仿真实验研究了两种情况的源分离：从单船舶辐射噪声信号谐波成分的分离；多船舶辐射混合信号中分离出每条船只对应的原始辐射信号。采用理论模型产生的模拟数据与实际录音数据进行的实验，得到了满意的结果。文中采用神经网络自适应在线学习算法，算法稳定性好、收敛速度快，在极低的信噪比下仍具有很好的分离效果。     

连续爆炸式水声干扰弹对抗仿真系统开发研究

以水下武器对抗作战为背景,设计开发了一种以连续爆炸式水声干扰弹为基础、基于声信号仿真的水声对抗仿真系统。在详细讨论了系统的模块组成及其相应仿真功能的基础上,构建出基于分布交互式体系结构的水声对抗仿真系统,特别给出了连续爆炸式水声干扰弹的声学模型与仿真模型,介绍了系统实现上的关键技术,最后以对抗某型鱼雷为例进行了仿真实验,证实了系统设计方案的可行性和有效性。仿真实例表明,该系统具有很好的实验研究功能。     

超空泡水下航行器可视化仿真技术研究

针对超空泡水下航行器的工作机理以及超空泡形成难度及复杂性的问题,首次开发出超空泡水下航行器的弹道可视化仿真系统.设计了超空泡水下航行器视景仿真系统的框架结构;利用Vega Prime和C 仿真应用程序建立了天空、海面.海底环境;研究了超空泡形成的工作机理,建立了超空泡的三维实体模型;实现了超空泡水下航行器发射,运行、助推发动机脱离、超空泡形成以及攻击等功能,形象逼真地模拟了超空泡水下航行器的运行过程.所建三维模型逼真度高、特效设计形象,可视化效果良好,使得科研人员在超空泡水下航行器的研究过程中,能够获得直观.清晰的认识,满足了超空泡水下航行器研究的要求.