水下无人系统学报

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谢少荣, 刘坚坚, 张丹

2020, 28(6): 584-596. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.001

[摘要](937) [PDF 369KB](1165)

摘要:
无人艇作为一种高度自治的系统, 是提高水上作业效率的可靠途径之一, 可用于水文研究、科学勘探、水文测量、应急搜救以及安全巡逻等任务。通过信息交互与协同决策将多艘无人艇构建成集群, 使其具有更全的感知信息、更高的执行效率和更大的作业范围, 能显著增强无人艇自主完成任务的能力。但由于海洋环境复杂多变, 风、浪和涌流等因素扰动大, 无人艇集群的协同控制与优化决策面临单艇自主完备感知难、多艇快速灵活交互认知难、实时高效集群协同难等挑战。文中从复杂海洋环境下海洋环境智能感知方法、单艇准确完备自主感知机理、多艇实时交互认知机制、无人艇集群智能协同控制决策方法和无人艇集群应用平台等方面对无人艇集群技术的研究现状进行了论述, 并提出了关键技术和难点问题同时指出, 单艇自主完备感知、多艇快速灵活交互认知、实时高效集群协同是集群控制技术亟待深入的研究方向。

基于自监督表征学习的海面目标检测方法

张倩, 张友梅, 李晓磊, 宋然, 张伟

2020, 28(6): 597-603. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.002

[摘要](474) [PDF 1380KB](350)

摘要:
为提升海上无人装备对海洋的感知与监测能力, 海面目标检测准确度的提升至关重要。但受复杂海况影响和传感器限制, 采集高质量海面目标样本困难, 导致大规模海面目标数据集缺乏, 使得基于深度学习的海面目标检测发展缓慢。为此, 文中将自监督表征学习引入海面目标检测领域, 利用动量对比自监督表征学习算法进行船舶特征学习, 从大规模无标签海面目标数据中挖掘船舶目标特征, 为后续进行基于更快的区域卷积神经网络的海面目标检测提供先验知识。实验结果表明, 借助于大规模无标签数据集, 文中提出的基于自监督表征学习的海面目标检测方法能够取得与有监督预训练方法相当的检测效果, 突破了有标注海面目标样本不足的限制。文中工作可为进一步研究基于深度学习的海洋智能感知问题提供参考。

基于欧氏距离的无人艇载毫米波雷达点迹凝聚方法

李瑞伟, 李立刚, 金久才, 刘德庆, 李方旭, 戴永寿

2020, 28(6): 604-610. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.003

[摘要](256) [PDF 1419KB](197)

摘要:
毫米波雷达在工作中会存在虚警和目标点迹分裂等问题。当前多数研究均通过处理雷达回波, 根据波形特征降低虚警, 但结果中仍存在无效点迹通过依次比较点迹距离和角度等多维信息判断其是否属于同一目标, 方法过程较为繁琐, 且表示目标状态常用的质心法不够准确。因此文中提出一种基于欧氏距离的点迹凝聚方法, 通过对雷达点迹数据进行处理解决了虚警和目标点迹分裂问题。首先, 结合雷达回波强度和有效检测范围等先验知识, 采用阈值滤波法去除无效点迹。然后, 依据“属于同一个目标的点迹速度相同、距离相近”这一规律, 通过欧氏距离度量点迹间的信息相似度, 实现目标点迹聚类。最后, 计算障碍目标的位置和截面宽度等信息, 以矩形危险区域表示障碍目标所属范围, 从而实现无人艇前方障碍目标的准确检测。实船试验验证了文中方法的有效性。

无人艇集群最优协同控制反演

张振华, 李尧, 俞成浦

2020, 28(6): 611-617. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.004

[摘要](407) [PDF 819KB](344)

摘要:
为实现通过数据驱动学习人为操作下的无人艇集群最优协同控制策略, 文中提出了一种线性二次型闭环微分博弈反演优化算法, 根据观测到的系统最优状态和控制输入轨迹辨识协同策略目标函数。首先, 根据观测到的含加性白噪声的最优系统状态和控制输入轨迹辨识最优反馈矩阵; 然后, 通过求解由纳什平衡充要条件推出的耦合代数黎卡提方程的解来辨识协同策略目标函数。所提出的反演优化算法能够获得满足给定系统状态和控制输入轨迹的最优协同策略目标函数; 同时, 该算法辨识出的目标函数可以用于实现针对特定任务场景的无人艇集群最优协同控制, 并为集群的对抗博弈提供新的思路和解决方案。

基于深度学习的尺度自适应海面目标跟踪算法

吴翔, 钟雨轩, 岳琪琪, 李小毛

2020, 28(6): 618-625. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.005

[摘要](730) [PDF 3993KB](250)

摘要:
相比于普通场景的目标跟踪, 无人艇海面目标跟踪具有目标尺度变化大、目标抖动剧烈和视角变化大等独特挑战。针对此, 文中提出了基于深度学习的尺度自适应海面目标跟踪算法, 以样本中心点是否落在真实目标框内对样本进行分类, 直接回归中心点到目标框上下左右的距离预测目标框的位置和尺度。同时, 建立了海面目标跟踪算法评估平台, 以验证所提算法的有效性。试验结果表明, 文中算法相比基于锚框的算法跟踪位置精度提升了4.8%, 成功率提升了11.49%, 有效解决了目标尺度自适应问题。

基于RBF积分滑模的无人艇集群协同路径跟踪控制

施文煜, 梁霄, 曲星儒, 滕建平

2020, 28(6): 626-633. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.006

[摘要](762) [PDF 515KB](167)

摘要:

为满足船舶护航、目标围捕等任务要求, 文中提出了一种基于路径参数循环的欠驱动无人艇集群协同路径跟踪控制方法。在运动学设计方面, 结合视线制导与一致性算法, 设计无人艇集群协同制导律, 得到闭曲线上对称的编队队形, 实现对目标点进行围捕。在动力学设计方面, 考虑动力学模型不确定性及传统滑模导致的抖振问题, 利用神经网络逼近特性和饱和函数, 设计基于自适应径向基函数神经网络的分布式积分滑模控制器, 保证无人艇能够精确跟踪制导信号, 从而提高系统抗干扰性和路径跟踪精度。Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统误差是全局渐近稳定的。仿真结果表明了所提出集群协同控制方法的有效性。

多无人艇协同遍历路径规划算法

翁磊, 杨扬, 钟雨轩

2020, 28(6): 634-641. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.007

[摘要](403) [PDF 1804KB](380)

摘要:
为了实现对岛礁及周围海域水下地貌信息的获取, 同时使用多个无人扫测艇进行协同测绘以提高测绘效率, 文中提出一种协同遍历路径规划算法: 采用扫描线多边形方法得到动态栅格地图, 建立水域环境模型, 基于K-means++算法对任务区域进行分配, 分配区域内使用启发式路径规划算法得到完全遍历路径。仿真结果满足区域分配的均匀性和遍历路径的连通性要求。在此基础上提出了动态重规划算法, 根据实时可工作无人艇数量对未遍历区域进行重分配。仿真结果证明, 在不同间距的栅格地图中, 协同遍历算法均提高了测绘效率, 路径重复率较低, 可以快速高效地实现动态重规划。

基于作战环境配置资源的出动架次率计算模型

彭雅欣, 黄琦, 余明晖, 杨杰, 苏厚胜

2020, 28(6): 642-649. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.008

[摘要](300) [PDF 502KB](165)

摘要:
舰载机、无人艇等海军武器的出动架次率(SGR)是判断其综合作战能力的关键指标, 作战环境的资源配置将影响SGR, 因此研究作战环境的配置资源最优组合将有利于提高系统的作战能力。文中以航母舰载机为例, 在对波次出动模型进行研究的基础上, 建立仿真SGR计算模型, 针对其需重复计算以降低计算结果随机性的问题, 利用反向传播(BP)神经网络对仿真模型进行拟合, 得到BP-SGR计算模型, 并使用该模型进行甲板资源配置优化研究。仿真实验表明, BP-SGR计算模型得到的21组最优资源配置组合SGR值, 均落在仿真模型SGR计算结果99%预测区间内, 且二者相对误差均小于1%, 验证了该模型在资源配置优化问题的适用性。使用该模型可有效对舰载机、无人艇等作战资源配置问题进行求解。

圆柱壳体振动主动控制作动器位置优化方法

耿小明, 尹韶平, 周景军, 王谦

2020, 28(6): 650-656. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.009

[摘要](215) [PDF 956KB](135)

摘要:
以圆柱壳体为研究对象, 对其振动主动控制中的作动器位置优化问题进行了研究, 采用可控性优化配置准则并对其进行了推导分析, 利用遗传算法完成圆柱壳体内作动器位置的快速寻优。研究结果表明, 优化得到的圆柱壳体内作动器布放位置能获得更佳的振动控制效果, 验证了以圆柱壳体为被控结构的作动器位置优化方法的可行性, 为紧凑空间结构的振动控制及振动传递抑制提供一种作动器布局优化方法。

船体状态对电流补偿式电场隐身控制参量的影响

孙强, 姜润翔, 喻鹏, 程锦房

2020, 28(6): 657-662. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.010

[摘要](181) [PDF 510KB](141)

摘要:
为实现基于控制参量 (补偿电流与轴电流之比)的电流补偿式舰船静电场隐身控制技术, 利用边界元仿真软件研究了某型船在不同涂层破损率、不同涂层破损位置情况下的水下电场变化趋势和控制参量最佳值的变化趋势。结果表明, 最佳值会随着涂层破损率增加而逐渐增大; 靠近螺旋桨区域的局部涂层破损会对最佳值产生影响, 而船体中前部局部涂层破损对最佳值影响较小。之后利用缩比模型试验研究了螺旋桨转速对最佳值的影响, 结果显示, 不同转速情况下水下电场最大抑制比不一致, 但是最佳值基本不变。

一种滑动后向递推的EKF纯方位目标跟踪方法

郑艺, 王明洲

2020, 28(6): 663-669. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.011

[摘要](819) [PDF 513KB](176)

摘要:
由于只有一个观测点且只能获取目标方位信息, 被动的单站纯方位水下目标跟踪是定位跟踪领域的难点之一。在工程应用中有时存在观测时间短、数据量小的情况, 进一步加大了定位跟踪的难度。基于此, 文中研究了常规扩展卡尔曼滤波(EKF)原理, 分析了其在单站纯方位目标跟踪中状态估计变化的特点, 并通过公式推导进行了证明。针对短时观测、小数据量的特殊背景, 提出了一种滑动后向递推的EKF方法, 通过后向递推与正向递推的结合, 增加对数据的反复利用, 降低了估计误差。仿真试验结果证明, 在不同观测噪声、不同噪声协方差估计的情况下, 对于短时观测小数据量下的单站纯方位目标跟踪, 文中方法比常规EKF方法具有更低的误差。

基于单信标测距辅助SINS的中层水域导航算法

刘湘衡, 王亚波, 刘贤俊

2020, 28(6): 670-676. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.012

[摘要](224) [PDF 497KB](163)

摘要:
针对全球导航卫星系统和多普勒测速仪无法用于位于中层水域的深海潜水器的高精度导航定位问题, 文中提出一种经济可行的中层水域导航算法。该算法基于单程到达时间机制测量已知位置的信标到深海潜水器的距离, 并基于捷联惯性导航系统(SINS)误差传播模型和单信标测距模型设计扩展卡尔曼滤波器进行信息融合, 从而实现利用单信标测距信息辅助SINS以抑制其误差发散。仿真结果表明, 基于距离辅助SINS的中层水域导航算法能够获取误差不随时间累积的定位结果。此外, 文中从解析可观测性的角度, 对深海潜水器的静止和圆周运动轨迹进行了精度分析, 且理论分析与仿真结果吻合。

非线性尾流相互作用研究

王程英, 张建生

2020, 28(6): 685-693. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.014

[摘要](164) [PDF 2708KB](113)

摘要:
在限制水域中, 快速船舶的尾迹最重要的特征是在船舶前方能产生孤立波。文中基于Korteweg-de Vries型方程和Hirota双线性形式的符号和辅助结果, 得到不同相位变化中的双孤子解。利用Mathematica软件仿真得到了KP(Kadovtsev-Petviashvili)方程双孤子解在不同相位变化中的所有可能波型以及双孤子解分解结构与线性叠加的波形, 为理解KP方程双孤子解、双孤子相互作用及其形态结构特征奠定了基础。基于无量纲KP方程的双孤子解, 仿真得到标准坐标下等振幅和非等振幅入射孤子相互作用区域的表面高度。结果表明, 等振幅入射孤子的振幅与参考孤子的振幅相差0.01%比相差1%的相互作用波峰空间范围大非等振幅的2个入射孤子的相互作用主要导致了2种入射孤子波峰的弯曲。利用Matlab软件仿真得到入射孤子和相互作用中心双孤子解的不同波峰, 通过调节参数k对比相互作用孤子的坡度, 结果表明沿波峰的传播方向, k值越大, 相互作用孤子的轮廓越窄, 坡度越大。

基于分数阶傅里叶变换的双雷齐射主动自导方法

蒋帅, 樊书宏, 郝保安

2020, 28(6): 677-684. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.013

[摘要](205) [PDF 969KB](97)

摘要:
针对双雷齐射中可能产生的两雷相互干扰问题, 文中提出了一种基于分数阶傅里叶变换的双雷齐射主动自导方法。两雷通过分别发射不同调频斜率的线性调频(LFM)信号, 并利用分数阶傅里叶变换对LFM信号的聚焦特性, 以实现双雷回波信号的分离检测。在此基础上, 提出了双雷齐射目标检测的总体方案, 并进一步分析了影响目标参数估计结果的主要因素。不同信噪比条件下的仿真试验结果表明, 利用分数阶傅里叶变换可有效实现双雷齐射目标检测, 具有较强的抗干扰能力, 且双雷基本可工作于同一频段, 无需分频段使用。该方法可对双雷齐射条件下的主动自导提供参考。

一种低速大扭矩永磁同步电机设计方案

张国楠, 胡利民, 王建平, 段凯原

2020, 28(6): 694-698. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.015

[摘要](374) [PDF 1034KB](637)

摘要:
针对大型无人水下航行器低速大扭矩推进电机减振降噪应用需求, 设计了一款额定功率100 kW、额定转速250 r/min的低速大扭矩永磁同步电机。首先基于磁路法完成电机电磁方案设计, 建立电机分段斜槽有限元模型, 开展空载反电势、齿槽转矩、电磁转矩等参数的仿真分析, 最后完成样机的研制与试验。试验结果表明文中的低速大扭矩永磁同步电机设计方案切实可行。

水面舰艇反鱼雷鱼雷拦截策略研究

孙振新, 顾天军

2020, 28(6): 699-705. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.016

[摘要](256) [PDF 707KB](290)

摘要:
随着鱼雷智能化水平不断提高, 反鱼雷鱼雷(ATT)作为对抗来袭鱼雷的硬杀伤武器已成为各国研究的重点, 而拦截策略直接影响ATT的拦截概率。对此, 文中首先建立了ATT概略位置拦截、迎面拦截、直接拦截和当前位置拦截4种模型, 将水面舰艇防御来袭鱼雷过程分为远距离段防御、中距离段防御、近距离段防御和近界段防御4个过程, 通过对不同态势下ATT拦截概率的仿真计算得出不同距离段ATT最优拦截方式, 并提出水面舰艇防御来袭鱼雷的最优拦截策略。文中研究可为改善水面舰艇的海上生存能力提供参考。

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2020年第28卷第6期

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