水下无人航行器

摘要： 高精度的导航信息是水下无人航行器(UUV)高效完成各项任务的重要前提,多普勒计程仪/捷联惯性导航系统(DVL/SINS)组合导航系统具有无源、自主等优势,在UUV导航中得到了广泛应用。从DVL/SINS导航数据处理的三个阶段出发,详细论述了传感器误差建模与补偿技术、水下初始对准技术和数据融合算法的基本原理和研究现状;总结了各项技术的关键问题和研究方向,并给出了相应的解决思路;最后,探讨了DVL/SINS组合导航的发展趋势和需要解决的问题。

摘要： 考虑水下无人航行器的轨迹跟踪控制,在水动力系数已知的条件下,基于收缩理论设计了全局指数收敛的理想控制器。首先,对收缩理论进行简要的介绍。与常用的李雅普诺夫方法不同,收缩理论在进行控制系统的设计和稳定性分析时,采用虚位移验证系统的稳定性,避免因无明确平衡点信息而带来的阻碍,从而更容易证明控制系统的稳定性。接着,介绍了水下无人航行器的运动学和动力学模型,基于收缩理论设计了理想控制器,并证明了控制器的稳定性。最后对水下无人航行器进行了轨迹跟踪控制仿真,仿真结果验证了本文控制算法的有效性。

摘要： 针对水下无人航行器路径规划需要提前获得海图以得到全局障碍物信息,难以做到未知环境下实时规划路径的问题,提出一种对探测空间进行采样并判断采样点是否具有障碍,最终将探测到的障碍结果加权赋值给A;算法待扩展点的方法,实现了探测与路径规划同步进行,同时考虑到航行器的运动学约束,将A;算法的搜索域修正为圆域并且仅搜索在运动学约束下可达的区域,避免路径规划出现折线段。最终仿真结果表明,该方法在未知海域中,可以实现实时路径规划,规避由探测系统检测到的障碍物并最终抵达目标点,且运算消耗小,速度快,满足实时性要求。

摘要： 针对水下碟形滑翔机特殊的外形结构及运动特点,重点研究欠驱动多约束条件下水下碟形滑翔机的自主控制问题。建立水下碟形滑翔机动力学模型,分析水下碟形滑翔机的欠驱动控制特点和平面双轴对称的结构特点;设计具有4个喷水推进器的全向驱动机制,给出全向控制动力输出方程;设计自抗扰控制器,并建立基于MATLAB+MFC软件的水下无人航行器可视化仿真平台。大量数值实验结果表明,所提设计控制器具有可靠性和有效性,可实现水下碟形滑翔机在三维空间动态过程的平稳运行。

摘要： 多智能体的路径规划是本科生创新研修课“惯性自主测量技术与实践课程”的重要内容。针对UUV集群的协同路径规划,采用全局和局部路径规划算法结合的方式,以实现各UUV在合理的时间范围内到达终点。在全局路径规划算法中引入外种群信息素函数,通过动态地设置启发因子,添加自检测机制以避免蚁群算法陷入局部最优;在人工势场法中添加相对运动系数及附加势场以避开障碍物并避免目标不可达问题。结果表明:全局路径规划能为各UUV找到长度相近的全局路线,局部路径规划能保证UUV航行的安全性,优化全局路线的总长度,并保证各UUV路线的长度在同一区间,使UUV集群能协同时间到达终点。

摘要： 针对复杂环境下传统群体智能优化算法在求解水下无人航行器(UUV)路径规划的过程中存在路径搜索能力不足、易陷入局部最优等问题,提出了一种引入改进蝠鲼觅食优化算法的UUV三维路径规划方法。首先,根据UUV在水下航行时的实际环境,建立相关地形模型和威胁源模型;其次,对传统的蝠鲼觅食优化算法进行改进,相关改进包括在初始化过程中加入局部反向学习机制优化种群的位置,提高了种群的多样性;根据每次迭代后种群个体适应度的不同,改进蝠鲼翻滚觅食的翻滚因子S,由此实现一种自适应翻滚,有利于跳出局部最优;同时,在蝠鲼螺旋觅食过程中融合莱维飞行-柯西变异策略,扩大了搜索路径和种群搜索范围,提升了算法寻找全局最优的能力;最后,将改进的蝠鲼觅食优化算法引入到UUV的路径规划中,进行相应的实验模拟。实验结果表明:在地形1中采用改进的蝠鲼觅食优化算法所规划的路径相比于灰狼算法和蝠鲼觅食优化算法分别降低了32.49 km和23.88 km,航迹代价分别降低了9.68和4.04;在地形2中采用改进的蝠鲼觅食优化算法所规划的路径相较于灰狼算法和蝠鲼觅食优化算法分别降低了20.83 km和29.95 km,航迹代价分别降低了10.14和3.18;同时,所提路径规划方法能够使UUV有效地避开障碍物、威胁物等,较大地降低了风险成本,安全性更高。

摘要： 本文在对国外不同类型水下无人航行器装备性能梳理的基础上,归纳总结潜艇与其协同反潜作战的作战优势,研究提炼出两者反潜作战典型样式和海上作战流程方法,为水下无人反潜作战运用提供参考。

摘要： 针对水下无人航行器路径规划中强化学习方法存在训练不稳定、时间长的弊端,提出了一种课程式双重深度Q学习网络(DQN)算法。该算法融合经验回放池技术,有效缩短了训练时间,并消除了Q学习网络引起的最大化偏差问题。同时,结合课程式学习改进双重DQN算法,加快了学习收敛速度。通过静态、动态障碍物环境的水下无人航行器路径规划仿真结果表明,所提出的课程式双重DQN算法可行、有效。该实验仿真研究可培养学生开展独立科学研究的能力。

摘要： 针对欠驱动水下无人航行器(UUV)的路径跟踪问题,提出一种基于粒子群优化-非奇异终端滑模(PSO-NTSMC)的路径跟踪控制策略。利用视线法和Serret-Frenet坐标系,构建直线路径跟踪制导律。引入非奇异终端滑模面,设计路径跟踪控制器,实现路径跟踪误差的镇定。通过引入粒子群优化算法优化控制器参数,获得更良好的控制性能。数值仿真结果表明:所设计的控制器能够在有限时间内精确地完成水平面直线路径跟踪任务,并且可以有效地克服恒定未知海流和模型参数摄动的影响。

摘要： [目的]为了研究水下无人航行器(UUV)动力定位过程中受到外界时变干扰以及推进器故障时的控制方法,提出可实现推进器容错控制的非线性观测自适应推力分配策略。[方法]首先基于幂次滑模方法进行UUV动力定位控制器设计,并采用非线性观测器实现对外界环境干扰的有效估计;然后结合外界扰动估计值以及故障模式下的状态偏差序列构建二次规划问题,对其求解获得各推进器的效率因子,以修正推力分配矩阵,从而实现推进器容错下的自适应推力分配。[结果]仿真结果显示,UUV控制系统能够有效估计外界环境干扰以及各推进器效率因子,即使部分推进器出现故障,UUV仍能降格完成动力定位任务。[结论]研究表明所提出的自适应推力分配策略及滑模控制算法合理,适用于存在外界环境干扰以及推进器故障的复杂工况。

摘要： 由于水下远距离传递信息困难,以及受自身携带能源的限制,水下无人航行器(AUV)需要通过母船回收进行能源补充与信息传递.为研究AUV水下回收时的复杂流场,本文基于STAR-CCM+软件,采用重叠网格技术对于潜艇回收AUV时的流场进行研究,分析了AUV在回收过程中受到的压力、流场中的漩涡和速度分布等水动力性能,为水下回收AUV提供了有益的参考.

摘要： 本文简要介绍了水下无人航行器(UUV)的国内外研究现状,分析了UUV的功能、特点及使命,并结合外军装备重点探讨了UUV的两项关键技术——导航及水下探测技术.导航系统在UUV执行任务中起着举足轻重的作用，也是主要技术难点之一。UUV在执行水下任务时，导航系统需要提供航行所必需的位姿信息，包括艏向角、横摇角、纵倾角、位置、速度等，尤其在执行某些特殊的军事任务时，更要求其具有自主、隐蔽等特点。目前最常用的导航方法是航位推断算法和惯性导航系统（INS）。但INS也存在比较多的缺点，比如误差会随着时间积累、成本高、体积大等。因此在小型水下航行器上INS就受到了很大的限制。解决误差积累的办法主要是使用GPS导航辅助修正误差，但使用GPS导航需要上浮接收卫星信号且需使天线尽量干燥，由此使得UUV的整体隐蔽性降低。声信号可以在水下传播较远的距离，因此可以采用声学导航技术导引水下航行器的航行，但在复杂声学环境尤其是在浅海或极地中，会受到多途干扰的影响。水下探测技术是指通过声、光和电磁等手段，利用测扫声呐、激光探测仪、水下电视等仪器对水下目标进行探测观察及目标识别的技术。目前发展较为先进的主要是光电探测及声学探测。随着电子技术、激光技术和信号处理技术的发展，光电探测技术逐渐成为水下目标探测的新的研究热点。目前激光水下目标探测技术的研究方向主要集中在距离选通技术，如美国Arete公司的"魔灯"和Northtop Grumman公司的机载快速灭雷武器系统（RAMICS）；激光线扫描技术，如Raytheon公司的LS4096和Northtop Grumman公司的激光线扫描系统；条纹管成像技术，如美国的机载激光灭雷系统(ALMDS)。未来水下激光探测技术的发展主要集中在进一步提高激光器的发射功率、探测器的接受灵敏度、增强目标识别能力以及减小体积、重量和功耗等方面。

摘要： 水下无人航行器(UUV)的总体优化设计一般由快速性、操纵性、结构强度、能源系统等系统构成,各个系统之间是耦合的,综合考虑各系统间的耦合作用对于UUV的设计至关重要,本文针对UUV快速性和能源系统综合优化的问题进行了研究,主要工作有:根据艇型特点选择了15个相关设计变量,构建了约束条件,综合考虑各性能指标,建立了UUV快速性和能源系统综合目标函数;利用VC++语言,编制了基于遗传算法的UUV快速性和能源系统综合优化程序.通过计算表明,该优化系统准确可靠,遗传算法在多目标、多约束和多变量的工程问题上有很好的使用价值.

摘要： 针对水下无人航行器（UUV）执行地形跟踪任务，提出了一种自适应控制器设计方法。UUV执行地形跟踪任务时，将受到海底环境影响较大的水动力参数作为未知参数，引入跟踪系统各个状态的广义误差和未知参数估计误差，并将其系统方程转换成哈密顿形式，应用Lyapunov直接法和能量守恒定律设计了UUV地形跟踪控制器和未知参数估计律，从而保证了地形跟踪误差的全局稳定性。最后进行了半实物仿真，结果表明UUV可以很好的实现地形跟踪，获得较小的跟踪误差，验证了控制器和参数更新律的有效性。

摘要： 研究多UUV间的快速通信方法.针对多UUV间通过水声通信进行交互信息时存在时延的问题,研究了在通信时滞下多UUV沿多条给定路径编队运动的控制器设计问题,提出了一种基于过程控制算法的通信优化方法.利用粒子滤波算法,对通信信号进行滤波处理,去除信号中的噪声,从而为通信优化提供准确的数据基础.利用过程控制网络,对通信数据进行快速的传输,从而实现通信优化处理.实验结果表明,利用本文算法进行通信优化处理,能够避免传统算法通信时延的缺陷,有效的提高了通信效率,取得了令人满意的结果.

摘要： 研究多UUV间的快速通信方法.针对多UUV间通过水声通信进行交互信息时存在时延的问题,研究了在通信时滞下多UUV沿多条给定路径编队运动的控制器设计问题,提出了一种基于过程控制算法的通信优化方法.利用粒子滤波算法,对通信信号进行滤波处理,去除信号中的噪声,从而为通信优化提供准确的数据基础.利用过程控制网络,对通信数据进行快速的传输,从而实现通信优化处理.实验结果表明,利用本文算法进行通信优化处理,能够避免传统算法通信时延的缺陷,有效的提高了通信效率,取得了令人满意的结果.

摘要： 研究多UUV间的快速通信方法.针对多UUV间通过水声通信进行交互信息时存在时延的问题,研究了在通信时滞下多UUV沿多条给定路径编队运动的控制器设计问题,提出了一种基于过程控制算法的通信优化方法.利用粒子滤波算法,对通信信号进行滤波处理,去除信号中的噪声,从而为通信优化提供准确的数据基础.利用过程控制网络,对通信数据进行快速的传输,从而实现通信优化处理.实验结果表明,利用本文算法进行通信优化处理,能够避免传统算法通信时延的缺陷,有效的提高了通信效率,取得了令人满意的结果.

摘要： 研究多UUV间的快速通信方法.针对多UUV间通过水声通信进行交互信息时存在时延的问题,研究了在通信时滞下多UUV沿多条给定路径编队运动的控制器设计问题,提出了一种基于过程控制算法的通信优化方法.利用粒子滤波算法,对通信信号进行滤波处理,去除信号中的噪声,从而为通信优化提供准确的数据基础.利用过程控制网络,对通信数据进行快速的传输,从而实现通信优化处理.实验结果表明,利用本文算法进行通信优化处理,能够避免传统算法通信时延的缺陷,有效的提高了通信效率,取得了令人满意的结果.

摘要： 针对欠驱动AUV动力学运动模型不确定性以及存在着外界干扰的特点，研究了AUV的精确航迹跟踪控制问题。将三维航迹跟踪控制分解为水平面和垂直面跟踪控制问题，分别建立了AUV水平面和垂直面动力学模型，在设计模型时考虑了线性近似产生的误差、不确定性和外界干扰的影响，根据鲁棒H∞控制理论设计了航向控制器和纵倾控制器。仿真结果表明，在系统存在外界海流情况下，较精确的实现了航迹跟踪。

摘要： 针对欠驱动AUV动力学运动模型不确定性以及存在着外界干扰的特点，研究了AUV的精确航迹跟踪控制问题。将三维航迹跟踪控制分解为水平面和垂直面跟踪控制问题，分别建立了AUV水平面和垂直面动力学模型，在设计模型时考虑了线性近似产生的误差、不确定性和外界干扰的影响，根据鲁棒H∞控制理论设计了航向控制器和纵倾控制器。仿真结果表明，在系统存在外界海流情况下，较精确的实现了航迹跟踪。

摘要： 本发明公开了一种水下声呐、水下航行器及水下航行器在宽广水域巡航方法，属于水下声呐技术领域。其包括：第一声呐本体组件；第一声呐壳体，其具有一个容腔，第一声呐本体组件安装在容腔内，第一声呐壳体的周侧板上设置有环状轨道；垂直起吊装置，其一端与水下航行器的底板连接，另一端与第一声呐壳体连接，垂直起吊装置的与声呐本体组件连接的一端能够远离或靠近水下航行器；第二声呐本体组件，其安装在环状轨道上，且能在环状轨道运动；控制器，其与垂直起吊装置连接，用于控制垂直起吊装置工作。本申请通过第二声呐本体组件进行周向区域探测从而在第一声呐本体组件上升及下降的过程中，防止周围出现障碍物而导致第一声呐本体组件与障碍物相撞。

摘要： 本发明旨在提供一种水下航行器的船体，所述的船体为下口鲇仿生结构，所述的船体为由两端端点重合的三条弧线组成的三面体结构，船头和船尾分别位于两端，并且，船体的各个宽度方向的纵截面均为等腰三角形。本发明还提供一种水下航行器及其动态定位悬浮方法。本发明水下航行器采用改进的下口鲇仿生结构，能够通过自身船体结构及洋流推力实现贴紧海底平台的稳定定位悬浮，能够提高准确性，减少时间和能耗，同时也不受洋流强度的限制，更节能环保，提高船体的续航能力；能够广泛应用于海底管道和电缆的检查，被困在其他水下航行器或潜艇中的人员的救援以及水下焊接等领域。

摘要： 本发明公开了一种水下声呐、水下航行器及水下航行器在宽广水域巡航方法，属于水下声呐技术领域。其包括：第一声呐本体组件；第一声呐壳体，其具有一个容腔，第一声呐本体组件安装在容腔内，第一声呐壳体的周侧板上设置有环状轨道；垂直起吊装置，其一端与水下航行器的底板连接，另一端与第一声呐壳体连接，垂直起吊装置的与声呐本体组件连接的一端能够远离或靠近水下航行器；第二声呐本体组件，其安装在环状轨道上，且能在环状轨道运动；控制器，其与垂直起吊装置连接，用于控制垂直起吊装置工作。本申请通过第二声呐本体组件进行周向区域探测从而在第一声呐本体组件上升及下降的过程中，防止周围出现障碍物而导致第一声呐本体组件与障碍物相撞。

摘要： 可搭载和回收无人机的自主水下航行器及无人机回收方法，水下航行器(搭载无人机)到达指定区域，实现无人机定点投放，无人机探测完毕后，水下航行器进行定点回收，由此实现水下自主潜行和水面上自主收放无人机的功能。水下航行器可继续接收指令，执行下一个探测任务。这样实现了多范围探测、多域探测，以便全面、高效地执行探测任务。在水下航行器回收舱内部设有无线充电区域，保证无人机有足够的续航能力，从而能够在一定时间内完成多次任务。本发明可以实现单点投放、多点测量，扩大了两栖无人机的应用范围，同时可满足多个领域的需要，提高了任务执行率。

摘要： 本实用新型公开了一种无人无缆小型水下航行器的超深航行抛载机构，解决了现有抛载机构存在的可靠性低和控制系统复杂的问题。在抛载物吊接凹槽（2）内固定吊接有活塞缸体（3），活塞体（4）将活塞缸体（3）的内腔分隔成密闭区（6）和进水区（8），在密闭区（6）内设置有缓冲弹簧（7），在进水区的活塞缸体侧壁上设置有进水口（9），在活塞缸体（3）的下底面中央处固定设置有活塞杆向下穿出筒（10），在活塞杆向下穿出筒的筒壁上设置有限位钢珠嵌入孔（12），在活塞杆向下穿出筒上套接有抛载重物吊接套筒（13），在限位钢珠嵌入孔（12）与限位凹槽（14）之间，卡接有限位钢珠（15）。结构简单，便于安装、拆卸。

摘要： 本发明涉及一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，该系统不仅包含了水下无人航行器的航行状态信息，而且包括了安全航道和悬停点位置信息，这样能够全方位的辅助水上地面控制站或舰船的操作人员感知航行器所处态势，进而完成安全的航行与悬停操作。此外，此方法采用符号化的表达方式，使得地面站的显示界面更加清晰、简洁，显示内容更加直观、形象，人机界面友好。通过简单变形，本发明可用于水下无人航行器安全航行应用。

摘要： 本发明涉及一种用于水下无人航行器安全航行的引导显示系统，该系统不仅包含了水下无人航行器的航行状态信息，而且包括了安全航道和悬停点位置信息，这样能够全方位的辅助水上地面控制站或舰船的操作人员感知航行器所处态势，进而完成安全的航行与悬停操作。此外，此方法采用符号化的表达方式，使得地面站的显示界面更加清晰、简洁，显示内容更加直观、形象，人机界面友好。通过简单变形，本发明可用于水下无人航行器安全航行应用。

摘要： 本发明提供一种水下无人航行器的水下布放回收装置和方法。针对现有AUV布放回收装置和方法在布放回收过程中存在安全性差、隐蔽性低等问题提出的，包括:AUV控制台、双层滑道、AUV布放回收舱、光学导引装置、声学导引装置、注排水装置等。本发明提供的水下布放回收装置和方法具有以下优点：1、在高海情情况下，布放回收舱可以沿着预设的滑道方向平稳的移动，可以避免AUV在布放回收过程中与其它航行设备发生碰撞，有效保障了航行安全；2、布放回收装置安装在AUV母船坞舱内，使得AUV的布放回收过程更加隐蔽；3、AUV布放回收舱下放深度可控，有效减少高海情对AUV布放回收的影响。

摘要： 本发明公开了一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置及方法，包括双体船型且船身中部设置有开口舱的水面无人船、用于捕获水下无人航行器的回收笼和集成在所述水面无人船船载计算机内的主动捕获控制系统；所述水面无人船的中部开口舱用于放置回收笼的，所述回收笼通过安装在船舱中的液压伸缩杆与水面无人船连接，所述液压伸缩杆与主动捕获控制系统相连接，并由所述主动捕获控制系统控制将回收笼放入水中或收入船舱内，且实现回收笼高度的精确调整。本发明的有益效果为：提供一种通过无人船及其回收装置及方法，无需水下无人航行器的配合即可进行强行回收，能够实现对未知来源、不可控的水下无人航行器的主动捕获，具有重要的军事应用价值。

摘要： 本实用新型属于水下航行器相关技术领域，其公开了一种高速水下无人航行器的应急装置，其包括水下应急组件，所述水下应急组件设置在水下航行器的透水舱壳体上，其包括水下应急控制组件、助浮气囊执行机构驱动组件及设置在所述透水舱壳体内的助浮气囊执行机构，所述助浮气囊执行机构驱动组件电性连接所述水下应急控制组件及所述助浮气囊执行机构；所述助浮气囊执行机构驱动组件采用电信号与水压信号的冗余驱动方式来驱动所述助浮气囊执行机构动作。本实用新型还涉及具有上述应急装置的水下无人航行器。上述应急装置采用采用电信号与水压信号的冗余驱动方式，解决了失电状态下通过电信号驱动无法进行应急动作的问题，提高了稳定性。