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2019年  第27卷  第3期

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综述评论
多UUV协调控制技术研究现状及发展趋势
严浙平, 刘祥玲
2019, 27(3): 226-231. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.001
摘要:
为了使无人水下航行器(UUV)更好地完成复杂海洋任务, 需要通过多UUV系统协调控制来实现大规模协同侦察、作战、搜索及营救等任务。文中对编队控制、任务分配、协调路径规划和围捕等多UUV协调控制研究中的关键技术研究现状及进展进行综述, 重点分析了编队控制中的队形保持、队形重构、协同避障以及编队控制衍生出的集群控制等问题。最后指出, 应加强对强耦合非线性模型的协调控制、弱通信约束条件下的协调控制以及异构多UUV系统的协调控制等研究工作, 以实现复杂海洋环境下多UUV的有效协调控制。
自主水下航行器导航方法综述
黄玉龙, 张勇刚, 赵玉新
2019, 27(3): 232-253. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.002
摘要:
自主水下航行器(AUV)水下导航技术的准确性是在水下开展搜索、探测及反潜等任务的有力保障。现有AUV的导航方法大多以捷联惯性导航系统(SINS)为主, 以水声测速与定位技术、地球物理导航技术及协同导航技术为辅。基于此, 文中回顾了国内外近年来AUV水下导航技术最新的研究进展; 简述了AUV各种水下导航技术的基本原理, 并指出了各种方法的适用条件及优缺点; 分析了AUV水下导航方法存在的技术难点, 并给出了相对应的解决思路。同时对未来的AUV水下导航技术的发展趋势进行了展望。
基础研究
基于等价Fisher信息矩阵的AUV集群网络导航精度分析
张立川, 王永召, 屈俊琪
2019, 27(3): 254-259. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.003
摘要:
针对集群自主水下航行器(AUV)节点间的信息传递融合对协同定位精度的影响问题, 文中提出4种AUV集群的网络导航模型, 并引入等价Fisher信息矩阵等相关理论, 对信息在节点间的传递融合进行分析, 得出了影响集群AUV定位误差的因素, 并设计了定位精度较高的编队构型, 最后通过理论和仿真验证了当跟随AUV节点之间也有信息融合时, 利用整个编队的信息对跟随AUV的位置进行估计, 可以提高跟随AUV的定位精度。
基于深度卷积特征的水下目标智能识别方法
杜 雪, 廖泓舟, 张 勋
2019, 27(3): 260-265. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.004
摘要:
无人水下航行器(UUV)由于本身的便利性和自主性在水下探测方面相比传统探测具有很大优势, 对UUV水下目标智能识别方法的研究具有重要意义。针对水下环境的高噪声、低对比度的特点, 文中首先使用中值滤波和局部增强处理进行水下图像预处理, 基于水下图像的小样本特点, 提出借鉴牛津大学视觉几何组网络(VGGNet)的逐层递增卷积层思想, 利用深度卷积神经网络(DCNN)设计水下智能识别框架并利用大数据集Cifar-10进行一次训练, 以学习图像通用特征; 同时使用迁移学习和数据增强技术进行二次学习, 以学习水下目标特有特征, 解决水下数据集不足的情况, 防止过拟合。通过仿真试验进行识别效果验证, 仿真结果表明, 在特定测试集下提出的水下目标智能识别方法在识别效果与自动化程度方面相比传统识别算法具有明显优势。
基于改进生物启发模型的UUV在线避障方法
李 磊, 杜 度, 陈 科
2019, 27(3): 266-271. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.005
摘要:
针对无人水下航行器(UUV)在复杂海洋环境中面临的安全快速避障问题, 文中提出一种基于改进生物启发模型的在线避障方法, 以确保UUV具有快速实时的避障能力。首先, 根据预测控制滚动优化原理, 以前视声呐所获得的实时障碍物信息为基准, 对栅格地图进行滚动优化, 实时更新环境信息。其次, 将滚动栅格地图的变化一一对应成生物启发式神经网络拓扑结构图, 并针对生物启发模型的位置不确定性设计了新型判定函数, 通过判定函数值获取UUV下一时刻的航行位置, UUV通过对规划路径的跟踪, 实现在线实时避障。最后, 设计了滚动栅格动态试验以验证环境建模的正确性。通过障碍物避障的在线路径规划仿真试验验证了文中所提方法的有效性。
基于PSO算法的多UUV导航方法
王 磊, 王国臣, 范世伟
2019, 27(3): 272-276. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.006
摘要:
无人水下航行器(UUV)协同导航过程中, 惯性导航系统(INS)在水下工作时的定位误差随时间累积, 在不升出天线的情况下, 难以利用全球定位系统(GPS)对惯导误差进行修正, 地磁导航虽可以在水下修正惯导系统的误差, 但传统的地磁匹配导航对先验地磁图过于依赖。受到生物利用地磁进行导航行为的启发, 文中针对多UUV仿生协同导航问题, 提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的多UUV仿生协同导航方法, 将导航过程归结为多目标搜索问题, 通过共享UUV间的信息, 完成导航任务, 实时对惯导系统进行定位误差的修正。仿真结果证实了该方法的有效性。
基于磁信标的水下SLAM方法
常 帅, 付晓梅, 张翠翠, 赵玉新, 杜 雪
2019, 27(3): 277-283. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.007
摘要:
水下同步定位与构图(SLAM)由于可在未知环境下实现长时间高精度导航估计, 已成为近年来UUV 自主导航的重要发展趋势之一。无人水下航行器(UUV)在运动过程中, 以航行区域的背景地磁图为辅助提取磁信标磁场矢量和梯度特征。为增强SLAM技术在自然特征欠缺环境中的有效性, 同时避免水下磁信标磁矩未知性对反演的影响, 文中采用人工磁信标作为路标, 为SLAM导航系统的状态更新提供观测信息。并采用张量欧拉反褶积(TED)和磁场梯度张量特征分析(EGT)相联合的反演方法对磁信标进行单点反演定位, 在此基础上提出连续反演结果收敛性判定准则, 准确提取磁信标与UUV之间的相对位置信息, 进而构建SLAM系统的线性观测量。最后通过设计的3种磁信标分布场景对基于磁信标反演定位的SLAM系统性能开展了试验验证, 基于试验结果分析了磁信标分布状态对系统性能的影响, 表明了磁信标辅助方式在水下SLAM研究中的有效性。文中的研究可为UUV 长航时水下安全隐蔽作业提供参考。
基于RBF神经网络参数自整定的AUV深度控制
杜 度
2019, 27(3): 284-289. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.008
摘要:
为了保证自主水下航行器(AUV)能够精确潜入固定深度海域, AUV垂平面控制技术非常重要。在基于比例-积分-微分(PID)控制设计控制器的过程中, 为保证控制器能够较好地控制AUV跟踪指定轨迹, 需要对PID参数进行调整, 但参数设定需要反复尝试, 不仅耗费大量时间, 而且不能保障其最优效果。为解决这一问题, 提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的参数自整定PID控制方法。首先建立AUV垂平面运动模型, 然后设计RBF神经网络结构, 基于梯度下降方法给出了RBF参数以及PID参数的迭代公式, 并设计离散式PID控制器, 最后通过数值仿真验证了所提方法的有效性。仿真结果说明, AUV可以在较短时间内达到指定深度, 且PID各参数均能完成自整定。
未知环境下UUV动态目标跟踪导引方法
李 娟, 张建新, 杨莉娟, 严浙平
2019, 27(3): 290-296. doi: 10.11993/j.issn.1673-1948.2019.03.009
摘要:
针对未知动态环境下无人水下航行器(UUV)对随机动态目标的跟踪问题, 提出了一种跟踪与避碰切换导引策略。在建立目标与UUV、障碍物与UUV相对运动学关系的基础上, 考虑UUV运动控制中航速和航向角速度的饱和约束条件, 以UUV航行安全性和跟踪精度为目标, 利用李雅普诺夫方法完成了基于视线导引切换的动态目标跟踪与避碰策略设计。对所设计的导引方法进行了仿真试验, 实现了在静态障碍物和动态障碍物2种状态下对运动目标的跟踪且满足跟踪精度的要求, 验证了所提出的跟踪与避碰切换导引策略的有效性。
侧扫声呐图像特征提取改进方法
王其林, 王宏健, 李 庆, 肖 瑶, 班喜程
2019, 27(3): 297-304. doi: 10.11993/j.issn.1673-1948.2019.03.010
摘要:
由于侧扫声呐图像对于研究海底状况有着重要的作用, 因此常采用点特征和线特征提取来分析声呐图像的特点。其中点特征提取分析采用尺度不变特征变换(SIFT)算法, 直线特征提取采用Hough变换和线段检测(LSD)算法。文中针对Hough变换在提取直线特征时因基本空间转换方式存在不足而使得提取的线特征不理想的问题, 提出了一种效果更好的空间转换方式, 该方法需要建立2个图像边缘掩码矩阵, 一个保持原状用于寻找直线特征, 另一个根据边缘点转化情况相应减少对应边缘点, 这种方法的设计可以保证属于直线的特征点都能参与到直线特征的形成中; 针对LSD算法中检测到的直线特征会因相交而出现断裂的问题, 设计了一种断裂线特征拟合方法, 利用角度、位置等条件将被判定为断裂的直线特征进行拟合, 减少因直线特征断裂造成直线过短过多的问题, 然后通过长度阈值筛选出合适的直线特征。通过优化前后的方法对侧扫声呐图像进行直线特征提取验证, 证明了所改进的Hough变换可以更好地提取到线特征, 而优化后的LSD算法也减小了线特征断裂的影响。同时对于待处理的声呐图像, 点特征提取数量较多, 不能很好地体现图像内容特点, 而改进之后的线特征可以提取出图像内容的轮廓, 信息丰富, 能更好地表现了图像的内容。以上改进方法可为有关线特征提取研究提供参考。
UUV协同导航下MEMS陀螺仪协同标定
王秋滢, 尹 娟
2019, 27(3): 305-312. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.011
摘要:
当无人水下航行器(UUV)协同导航水声通信在短时失效情况下协同导航不可用时, 由于从UUV配备的三轴地磁传感器与两轴微机电(MEMS)陀螺仪组合姿态传感器中的MEMS陀螺仪陀螺漂移较大, 导致从UUV航位推算精度较差。基于此, 文中提出一种UUV协同导航下MEMS陀螺仪协同标定方法, 通过可观测性分析, 提出从UUV协同标定的路径设计原则。在协同标定路径下, 在线解算两轴MEMS陀螺仪的陀螺漂移并补偿, 以提高从UUV自身航位推算精度。仿真结果证明了在UUV协同导航下MEMS陀螺仪协同标定方法的有效性及协同标定路径设计原则的准确性。
UUV接驳单目视觉导引灯阵定位方法
张 伟, 李子轩, 宫 鹏, 赵汉卿, 曾 宁
2019, 27(3): 313-318. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.012
摘要:
在无人水下航行器(UUV)自动接驳技术中, 近距离接驳阶段操作的准确性和稳定性是有待攻克的技术难题。文中以叉柱式UUV接驳方式为背景, 提出了一种基于单目视觉导引灯阵定位方法。首先, 针对UUV接驳的机构特性及视觉对接要求, 设计了一套简易、可行性高的UUV视觉接驳装置; 其次, 对大津法进行改进, 解决了在亮度整体较暗、低对比度、细节较模糊条件下, 导引灯阵目标的特征提取问题; 再次, 利用二进制大对象(BLOB)分析描述特征结合改进多尺度核相关滤波器(KCF)跟踪算法, 解决了视觉跟踪过程中出现伪光源而导致跟踪失败的情况; 最后, 结合超短基线(USBL)与人工标定数据进行水池实验, 验证了在近距离定位过程中, 该方法相比USBL定位更加有效与稳定, 误差补偿后, 定位偏差<0.1 m。
基于能量优化的AUV舵角解耦方法
王明亮, 李德隆, 林 扬, 朱兴华, 贾松力
2019, 27(3): 319-326. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.013
摘要:
欠驱动自主水下航行器(AUV)的联动式艉舵调整过程中, 横向滚动姿态会导致水平和垂直方向控制的耦合问题。文中面向恢复力矩小、单桨推进及载荷多变的AUV航行任务, 提出了一种基于横滚角信息的舵角解耦和能量利用方法。该解耦方法充分考虑了横滚姿态下全局能量最优利用的可能性, 结合神经网络算法, 设计了基于能量消耗最优的参数优化策略, 以降低执行机构的动作行程, 达到降低系统能耗的目的。通过仿真试验获得了同理论分析一致的数值仿真结果, 验证了所提方法的可行性。实际航行数据的统计结果表明该方法能够有效减小操舵行程, 降低功耗。
基于声对接耦合的水下高速航行器全弹道仿真测试方法
张 俊, 蒋继军, 康文钰, 徐园园, 王明洲
2019, 27(3): 327-332. doi: 10.11993/j.issn.1673-1948.2019.03.014
摘要:
针对水下高速航行器的设计、陆上总体性能评估、实航试验方案论证等方面需建立相应的陆上半实物仿真环境以验证其作战效能的迫切需求, 设计了一种基于声对接耦合的水下高速航行器陆上全弹道仿真测试系统, 给出了仿真测试系统的构成方法和工作原理, 讨论了包括对接换能器、对接基阵、声匹配材料、通道隔离度控制等关键技术, 通过基阵测试验证了声对接耦合方法的正确性和可行性, 实现了实验室条件下水下高速航行器全系统全弹道测试。最后通过全弹道仿真实例, 验证了基于声对接耦合的全弹道仿真测试方法在水下高速航行器全系统性能评估和弹道测试上的有效性。
工程应用
全驱动AUV动力定位系统设计与实现
周启润, 曾庆军, 姚金艺, 朱志宇, 戴文文
2019, 27(3): 333-338. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.015
摘要:
针对全驱动自主水下航行器(AUV)近水面运动控制由于自身惯量小, 面对环境扰动极为敏感的问题, 提出一种基于比例-积分-微分(PID)的动力定位控制方法。结合自主研发的“探海I型”AUV样机, 介绍了AUV系统结构设计思想, 并利用光纤惯导、多普勒计程仪和深度计组成水下航位推算系统, 借助PID控制对位置和姿态误差进行调校, 以抵抗环境干扰。最后通过对湖试结果进行分析, 验证了AUV动力定位系统的实用性, 为今后水下搜救、目标定位等扩展应用研究提供参考。
远程诱骗型UUV掩护潜艇作战效能建模与仿真
刘海光, 李 伟, 张 永
2019, 27(3): 339-345. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.016
摘要:
远程诱骗型无人水下航行器(UUV)是一种可提升体系作战能力的新型水下信息战武器, 由于作战过程独立, 作战范围广, 其使命任务与传统自航式诱饵有显著区别, 目前对其作战效能的系统研究较少。文中依据远程诱骗型UUV作战过程及使命任务, 提出了其掩护潜艇作战效能评价指标。通过对比分析反潜巡逻机搜潜概率模型, 构建了单枚远程诱骗型UUV诱骗反潜巡逻机概率模型, 结合其诱骗反潜巡逻机过程, 定义了战术对抗周期, 并构建了诱骗反潜巡逻机的牵制时间模型, 依据多枚远程诱骗型UUV的作战使用特点, 建立了多枚诱饵诱骗反潜巡逻机的诱骗概率模型和牵制时间模型; 依据现有经验建立了远程诱骗型UUV诱骗水下监听系统概率模型, 在此基础上系统分析了诱骗型UUV掩护潜艇突破封锁的作战效能。基于典型作战想定, 采用蒙特卡洛法进行了诱骗型UUV掩护潜艇突破反潜巡逻机和水下监听系统组成的反潜体系的作战效能仿真, 仿真结果表明, 远程诱骗型UUV作战效能与其航速、数量及突防战术等因素有关, 最后给出了提升远程诱骗型UUV作战效能的方法和措施。
小型长航程AUV续航力分析
秦玉峰, 齐占峰, 彭家忠, 史 健, 冯志涛
2019, 27(3): 346-354. doi: 10.11993/j.issn.1673-1948.2019.03.017
摘要:
小型长航程自主水下航行器(LRAUV)是针对当前海洋长时序大范围巡航监测的要求而开发的一种新型自主水下航行器(AUV)。文中以能耗分析作为研究基础, 在有限的能源携带前提下分别研究不同航行模式下小型LRAUV的最大航行距离, 分析航行速度、下潜及上浮运动、电子设备能耗、通信频率等对有效航程的影响, 结合理论分析、仿真计算及试验等手段得到不同航行模式下小型LRAUV的最大航行距离, 同时得到提高小型LRAUV有效航程的理论方法。研究结果表明, 60 kg级小型AUV可实现最大2 554 km的理论航程, 航速对航程的影响最大, 低速推进是实现长航程推进的先决条件, 其次减少下潜及上浮的次数, 适当降低通信频率均可提高小型LRAUV有效航程。
长航时UUV导航校正与性能评估方法
陈 科, 叶开富, 杜 度, 李 杨
2019, 27(3): 355-360. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.03.018
摘要:
为了提高长航时UUV的导航精度, 规范其导航性能评价标准, 文中提出一种长航时UUV导航校正与性能评估方法。首先概述了UUV的常用导航方法, 给出长航时UUV导航试验需求。进而提出长航时UUV导航校正与性能评估方法的具体实现流程, 阐述了其性能评价指标, 并针对该方法提出相关建议。最后利用水下声学应答器(UTP)作为辅助导航设备, 对UUV导航结果进行校正。仿真结果表明, 所提方法能够有效抑制长航时UUV导航的累积误差。该方法可为提高长航时UUV导航精度提供理论参考。
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