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近水面悬浮解耦控制系统设计及仿真

提出一种自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)近水面悬浮解耦控制算法。在系统解耦的基础上通过两套独立的执行机构（水舱）分别实现AUV近水面悬浮时深度和纵倾角度控制。对海洋环境因素进行干扰力建模,在考虑各种环境干扰力作用的情况下通过仿真测试控制器性能,并与之前的仿真结果进行对比。定性地分析海洋环境要素对AUV运动控制器性能的影响,讨论在AUV控制器设计中考虑环境要素变化的必要性。仿真实验证明,提出的AUV悬浮解耦控制器在单纯考虑波浪干扰的情况下能够取得令人满意的控制效果。     

基于SINS/GPS/DVL组合导航的AUV半实物仿真系统设计

基于导航与控制一体化系统和实时网络技术,设计了一种新的采用惯导、多普勒、GPS组合导航方式的半实物仿真系统,解决了半实物仿真数据传输的实时性问题和时间协调同步问题,进行了控制系统的半实物仿真试验.试验结果表明,所设计的半实物仿真系统导航、控制算法正确,计算精度和解算时延达到系统要求.     

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。     

贝叶斯网络增强型多模型AUV组合导航算法

针对复杂环境下自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)组合导航系统中存在噪声不确定或者易发生变化的情况,提出一种贝叶斯网络增强型交互式多模型(interactive multiple model filter based on Bayesian network,BN-IMM)滤波算法。该算法在多模型估计基础上,引入特征变量,并根据变量与系统模型之间存在的因果关系建立贝叶斯网络;利用贝叶斯网络参数修正多模型估计中的模型切换概率,能够降低多模型算法中真实模式识别对先验知识的依赖性。该算法能够解决交互式多模型(interactive multiple model,IMM)算法中模型转换存在滞后、模型概率易发生跳变等问题,增强多模型算法的自适应能力。以陀螺和加速度计的输出作为特征变量建立贝叶斯网络,对AUV组合导航系统进行仿真,结果表明所提出的BN-IMM算法相比于传统的IMM算法能够显著提高机动状态时模型转换速度和估计精度。     

基于视线导航的自主水下航行器编队轨迹控制

编队航行对于提高自主水下航行器的水下作业能力和生存能力具有重要意义,以组成三角形编队前行的三个自主水下航行器为研究对象,基于Leader-Follower编队控制思想和反馈线性化技术设计了d-φ编队控制率,同时,提出了一种变结构控制方法,该方法通过视线导引角计算保持横向轨迹误差最小,进而使自主水下航行器沿预设的航路前进.仿真结果表明所提出的方法切实可行,很好地解决了自主水下航行器协同控制中的编队轨迹跟踪问题.     

自主水下航行器组合导航一体化仿真系统开发

AUV组合导航系统的研究,需要借助于仿真手段进行初步试验和算法验证.采用面向对象技术和模块化的设计思路开发远航程自主水下航行器组合导航一体化仿真软件系统,该一体化仿真软件分为仿真初始参数设置子系统,导航子系统,控制子系统,各子系统根据工作原理设计模块接口,具有建模、仿真、试验的一体化功能.仿真实验结果表明,该组合导航仿真软件系统可为AUV组合导航系统提供初步的仿真调试和实验验证环境,能够为半实物仿真及实物研制提供重要的参考信息.     

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.     

基于自适应反演方法的自主水下航行器控制

针对高速自主水下航行器,设计了垂直面内的自适应控制器。大多数自主水下航行器的深度控制都基于小俯仰角假设,但在某些情况下此假设可能会产生较大的模型误差,甚至会导致严重的后果。考虑水下航行器的未知参数和非线性,并且不对俯仰角作任何假设,设计了自适应反演控制器,使闭环系统的深度跟踪具有全局渐近稳定性。仿真表明,该控制器对模型不确定性具有较强的鲁棒性,并且明显优于传统的内外环结构的比例积分微分(proportional integral differential, PID)控制器。     

MATLAB下6自由度AUV的VRML建模及仿真

传统航行器的控制仿真研究是用仿真曲线来校验其控制模型的正确性,而利用虚拟现实技术不仅可以校验模型的正确性,还能实现比较好的人机交互,并将水下作业的仿真过程及其仿真环境直观的表现出来。为了研究水下航行器的可视化仿真,介绍了在MATLAB环境下自主水下航行器的VRML建模问题,运用VRML构建水下航行器运行的虚拟场景,并在Simulink仿真环境下利用MATLAB虚拟现实工具箱实现对水下航行器视景仿真的应用。     

基于地磁异常定位的水下载体地速测量新方法

根据水下地磁异常定位中磁性目标位置不变的特点,提出了载体在航行时姿态不变与变化的情况下载体对地速度的解算方法。给出了两种方法的计算公式并进行了数值仿真,结果表明两种方法均具有较高的解算精度,为载体对地速度的绝对测量提供了一种新途径。理论分析与数值仿真了速度解算误差与载体速度间的关系,结果表明误差随速度增大而增加,但即使速度较大时误差也可接受。     

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。     

基于精英族系遗传算法的AUV集群路径规划

针对传统路径规划算法仅能规划单一最短路径且不能调节路径宽度而难以适用于自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)集群航路规划的缺陷, 提出了精英族系遗传算法(elite family genetic algorithm, EFGA)。该算法将基因适应度加入适应度评价函数中, 同时在进化过程中标记精英个体作为多路径规划结果, 并在该算法基础上针对AUV集群路径规划问题设计了一种多智能体路径规划(multi-agent path planning, MAPP)方法。仿真结果表明, 该算法可以求解无冲突路径集合实现MAPP, 通过实现AUV集群的最优多路径航行方案减少集群的航行耗时, 且能够满足不同AUV编队规模对可调路径宽度的需求。     

微小型水下机器人操纵性能与运动仿真研究

以某微小型水下机器人为对象,对其进行受力分析,并考虑海流环境的影响,以空间六自由度运动方程为基础建立其运动仿真模型.通过带附体的模型试验,得到水下机器人阻力曲线和各主要水动力系数,应用面元法预报了其控制面的水动力特性,在此基础上建立了水下机器人的运动仿真系统,对其在水平面和垂直面内的操纵性能进行了预报,仿真试验结果表明此水下机器人具有良好的操纵性能,运动仿真系统可以作为控制器设计与调试的试验平台.     

基于小波网络的水下机器人执行器故障诊断

针对水下机器人系统的不确定性使得对其进行建模比较困难的特点,提出采用一种改进的小波网络进行水下机器人运动建模。该网络通过学习,调节小波函数的伸缩和平移以及网络连接权,既能逼近函数的整体轮廓,亦能捕捉函数变化细节,使得函数的逼近效果较好。通过比较模型的输出(运动状态估计值)与实际测量值来产生残差,分析残差提取故障判断准则,从而进行执行器故障诊断。仿真试验验证了该方法的有效性。     

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。