一種uuv抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)及航行方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)及航行方法。包括左前探測聲納、右前探測聲納、深度計、測高聲納、障礙信息融合模塊、避碰高度解算模塊、高度指令生成模塊、高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊、深度控制器、執(zhí)行機構(gòu)；將左前探測聲納探測到的障礙距離和右前探測聲納探測到的障礙距離，傳送到障礙信息融合模塊，得到最近障礙距離；避碰高度解算模塊根據(jù)最近障礙距離，解算出避碰高度；高度指令生成模塊根據(jù)期望高度和避碰高度相加得到高度指令，傳送給高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊得到深度指令，傳送給深度控制器；對UUV執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行深度控制。本發(fā)明可以實現(xiàn)UUV抵近海底作業(yè)時兼顧避碰的定高航行，可使UUV獲得良好的海底地形地貌。
【專利說明】—種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)及航行方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于UUV定高航行領(lǐng)域，尤其涉及UUV在執(zhí)行海底勘測任務(wù)時能夠?qū)崿F(xiàn)避開海底障礙同時保持與包括障礙在內(nèi)的海底定高航行的，一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)及航行方法。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)UUV執(zhí)行海底地形、地貌勘測任務(wù)時，一般都要求UUV與海底保持一定的高度航行，以獲得好的勘測效果。特別地，與海底保持的高度越近，勘測效果越好。目前，比較多的采用的是UUV地形跟蹤作業(yè)方式，這是一種純定高航行方式。以地形跟蹤作業(yè)時，為了避免UUV與海底相撞，通常都使UUV距離海底的高度都比較大，目的是使海底的起伏均處于UUV的下方，這樣UUV只需要單純的保持對下方海底的一定高度航行，但是距離海底的高度較大也造成了地形跟蹤作業(yè)對海底勘測的效果不理想的問題。因此，為了獲得好的海底勘測效果，就必須要UUV進(jìn)行抵近海底的定高航行作業(yè)。但是，由于海底地形起伏不定，UUV在抵近海底作業(yè)的過程中容易碰撞上突起的海底地形、海底山峰等障礙物，這就需要UUV必須具備對海底障礙的避碰能力。另外，海底障礙物也是海底地形、地貌的一部分，也是需要UUV進(jìn)行勘測的，這就要求UUV在避開障礙物的同時不能有較大的高度變化，即也盡量的是UUV保持對海底障礙物的定高航行，以更有利于對海底障礙的勘測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供能夠避碰的同時定高航行的，一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還包括能夠安全、穩(wěn)定的進(jìn)行定高航行的，一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行方法。
[0004]一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)，包括左前探測聲納、右前探測聲納、深度計、測高聲納、障礙信息融合模塊、避碰高度解算模塊、高度指令生成模塊、高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊、深度控制器、執(zhí)行機構(gòu)；
[0005]左前探測聲納和右前探測聲納用于探測障礙距離，將左前探測聲納探測到的障礙距離IY和右前探測聲納探測到的障礙距離rK，傳送到障礙信息融合模塊；
[0006]測高聲納用于采集UUV的實際高度hK，傳送給高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊；
[0007]深度計用于采集UUV的實際深度dK，分別傳送給深度控制器和高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊；
[0008]障礙信息融合模塊根據(jù)接收到的信息得到最近障礙距離A，傳送給避碰高度解算模塊；
[0009]避碰高度解算模塊根據(jù)最近障礙距離解算出避碰高度Iv傳送給高度指令生成模塊；
[0010]高度指令生成模塊根據(jù)期望高度hP和避碰高度h相加得到高度指令h。，傳送給高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊；
[0011]高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)接收的高度指令h。、實際高度比和實際深度dK產(chǎn)生深度指令d。，傳送給深度控制器；
[0012]深度控制器根據(jù)接收的深度指令d。和實際深度dK產(chǎn)生深度偏差，根據(jù)深度偏差產(chǎn)生控制指令，對UUV執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制。
[0013]本發(fā)明一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)還可以包括:
[0014]1、左如探測聲納和右如探測聲納對稱安裝在UUV的臘部兩側(cè)，深度計和測聞聲納分別安裝于UUV的腹部，測高聲納的波束方向為UUV的下方。
[0015]2、左前探測聲納和右前探測聲納的波束中心分別位于UUV的縱中剖面兩側(cè)并且分別與縱中剖面的夾角為15度，左前探測聲納和右前探測聲納的波束中心分別與水平面的夾角為45度。
[0016]一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行方法，包括以下幾個步驟:
[0017]步驟一:左前探測聲納和右前探測聲納用于探測障礙距離，測高聲納用于采集UUV的實際高度hK，深度計用于采集UUV的實際深度dK，根據(jù)左前探測聲納探測到的障礙距離IY和右前探測聲納探測到的障礙距離rK，得到最近障礙距離^:
[0018]r0 = min (rL.cos α.cos β , rE.cos α.cos β )
[0019]其中，α表示每個探測聲納的波束中心與水平面的夾角，β表示每個探測聲納的波束中心與UUV縱中首I]面的夾角；
[0020]步驟二:根據(jù)最近障礙距離A解算出避碰高度&:


2
_] H0 =
[0022]其中，λ為避碰幅度因子，σ為響應(yīng)距離因子；
[0023]步驟三:將期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令hc ；
[0024]步驟四:根據(jù)實際高度hK和實際深度dK，將高度指令h。轉(zhuǎn)換為深度指令d。:
[0025]dc = hE+dE-hc ；
[0026]步驟五:深度控制器根據(jù)深度指令d。和實際深度dK得到深度偏差，利用PID控制算法，實現(xiàn)對UUV的運動控制。
[0027]一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行方法還包括:
[0028]避碰幅度因子λ取值范圍為2?10,響應(yīng)距離因子σ取值范圍為20?40。
[0029]本發(fā)明的有益效果:
[0030]UUV抵近海底作業(yè)的定高航行與通常意義上的純定高航行相比難度更大，它是一種兼顧了避碰的定高航行，在定高航行的過程中能夠避開海底障礙，在進(jìn)行避碰的過程中能夠盡量保持定高。
[0031]可以實現(xiàn)UUV抵近海底作業(yè)時兼顧避碰的定高航行，可使UUV獲得良好的包括海底障礙在內(nèi)的海底地形地貌勘測的效果。
[0032]將UUV的定高航行轉(zhuǎn)換為定深航行控制，避免了測高聲納因海底起伏測得的高度數(shù)據(jù)變化較大而引起的定高航行不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
[0033]采用單波束的探測聲納和測高聲納，傳感器信息少、處理簡單，實時性好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1UUV抵近海底作業(yè)定高航行示意圖；
[0035]圖2-1UUV的傳感器安裝配置俯視示意圖，
[0036]圖2-2UUV的傳感器安裝配置側(cè)視示意圖；
[0037]圖3UUV抵近海底作業(yè)定高航行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖4UUV避碰高度解算示意圖；
[0039]圖5UUV抵近海底作業(yè)的定高航行流程圖；
[0040]圖6UUV抵近海底作業(yè)定高航行效果圖。

【具體實施方式】
[0041]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0042]結(jié)合圖1，UUV抵近海底作業(yè)定高航行描述如下:
[0043]定義UUV與海平面的距離d為UUV的深度，可通過UUV上配置的深度計實時測得；UUV與海底的距離h為UUV的高度，可通過UUV上配置的測高聲納實時測得。海深可用d+h表示。UUV與障礙物的距離用r表示，可通過UUV上配置的探測聲納實時測得。UUV抵近海底作業(yè)的過程中，需要始終與海底保持一定的高度h。如果探測到障礙物，UUV需要在垂直面避開障礙物，但在避開障礙物的同時，也需要UUV盡量與障礙物保持定高。
[0044]結(jié)合圖2-1和圖2-2，介紹UUV的傳感器安裝配置:
[0045]UUV的艏部安裝兩個用于障礙物探測的單波束聲納:左前探測聲納I和右前探測聲納2，兩個聲納的最大探測距離均為150米。通過安裝，使兩個探測聲納的波束中心與UUV縱中剖面的夾角為15度，與水平面的夾角為45度。這樣，兩個聲納分別能夠探測UUV左前下方和右前下方的障礙。
[0046]在UUV的腹部，安裝有深度計3和測高聲納4。深度計3用來測得UUV的深度信息。測高聲納4也是單波束聲納，波束方向為UUV正下方的海底，用來測得UUV距海底的高度。
[0047]結(jié)合圖3，介紹UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng):
[0048]包括左前探測聲納1、右前探測聲納2、深度計3、測高聲納4、障礙物信息融合模塊、避碰高度解算模塊、高度指令生成模塊、高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊、深度控制器、執(zhí)行機構(gòu)；
[0049]UUV定高航行的期望高度為hP，左前探測聲納I探測到的障礙物的距離為ιγ，且彡150米；右前探測聲納2探測到的障礙物的距離為rK，且150米;
[0050]障礙信息融合模塊，將左右前探測聲納探測到的障礙物的距離為ιγ和rK融合為UUV用于避碰的障礙距離，稱為最近障礙距離，記為A:
[0051]r0 = min (rL.cos α.cos β , rE.cos α.cos β ) (I)
[0052]其中，α表示兩個探測聲納的波束中心與水平面的夾角，為45度，β表示兩個探測聲納的波束中心與UUV縱中剖面的夾角，為15度。min(.)表示取最小值運算。
[0053]避碰高度解算模塊根據(jù)最近障礙距離4，計算出UUV在垂直面避開障礙物所需要的避碰高度&:


2
[0054]Ιι0=λ.β(2)
[0055]其中，λ為避碰幅度因子，決定了 UUV在垂直面繞過障礙物的最大幅度；σ為響應(yīng)距離因子，決定了 UUV探測到多遠(yuǎn)距離的障礙物后開始避碰。λ和σ在初始化時設(shè)置，λ一般可取2?10 ; σ —般可取20?40。
[0056]高度指令生成模塊根據(jù)期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。，傳送給高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊。
[0057]高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)測高聲納4采集的UUV實際高度hK、深度計3采集的實際深度dK將高度指令h。轉(zhuǎn)換為深度指令d。:
[0058]dc = hE+dE-hc (3)
[0059]將指令深度和實際深度相減得到深度偏差后由深度控制器控制UUV的深度。深度控制器采用PID控制器。
[0060]結(jié)合圖4，介紹避碰高度解算示意圖。
[0061]解算出UUV的避碰高度?？梢灾?，UUV探測到障礙物后在垂直面進(jìn)行避碰的高度與障礙融合距離A，避碰幅度因子λ和響應(yīng)距離因子σ有關(guān)。由于左前和右前探測聲納的最大探測距離均為150米，所以障礙融合距離&的最大取值為:150 Mosci.οο8β =150.cos45°.cosl5° ^ 100米。避碰幅度因子λ和響應(yīng)速度因子σ可以根據(jù)需要設(shè)定。圖4給出了三組參數(shù)情況下，障礙融合距離從O米到100米變化時解算出的UUV避碰高度k。第一組和第二組參數(shù)相比，σ均取25;但是λ分別取值為3和6。從圖4中可以看出，兩組參數(shù)最終解算出UUV響應(yīng)障礙物的距離大約均為70米，但是解算出的避碰高度的最大幅度不同，一個為3米，一個為6米。也即，λ越大，UUV的避碰高度值也越大。第二組和第三組參數(shù)相比，λ均取6，但是σ分別取值為25和35。從圖4中可以看出，由于避碰幅度因子相同，所以兩組參數(shù)最終解算出的避碰高度的最大幅度相同，均為6米。但是，解算出的UUV響應(yīng)障礙物的距離不同，σ = 25時響應(yīng)距離約為70米，σ = 35時響應(yīng)距離約為90米。也即，σ越大，UUV響應(yīng)障礙物的距離也越大。
[0062]結(jié)合圖5，UUV抵近海底作業(yè)的定高航行方法為:
[0063]1、初始化設(shè)定λ和σ ;
[0064]2、UUV接收抵近海底航行的期望高度指令h。；
[0065]3、左前探測聲納和右前探測聲納用于探測障礙距離，根據(jù)左前探測聲納探測到的障礙距離IY和右前探測聲納探測到的障礙距離rK，得到最近障礙距離^ ；
[0066]4、根據(jù)最近障礙距離A解算出避碰高度hQ ；
[0067]5、將期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。；根據(jù)實際高度hK和實際深度dK，將高度指令h。轉(zhuǎn)換為深度指令d。；
[0068]6、深度控制器根據(jù)深度指令d。和實際深度dK得到深度偏差，利用PID控制算法，實現(xiàn)對UUV的運動控制；
[0069]7、判斷任務(wù)是否完成，若完成，任務(wù)結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟3。
[0070]結(jié)合圖6，呈現(xiàn)利用本發(fā)明的UUV抵近海底定高航行效果圖。
[0071]圖6中，設(shè)最大海深20米，設(shè)置一個坡型海底突起障礙,障礙距海底的最大高度為10米。UUV抵近海底定高航行的期望高度為3米。從圖中可以看出，UUV不進(jìn)行避障時，基本是與海底保持3米的高度定高航行。當(dāng)UUV進(jìn)行避障時，UUV在垂直面避開障礙，并且在避障的同時基本保持了定高3米航行。
【權(quán)利要求】
1.一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)，其特征在于:包括左前探測聲納、右前探測聲納、深度計、測高聲納、障礙信息融合模塊、避碰高度解算模塊、高度指令生成模塊、高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊、深度控制器、執(zhí)行機構(gòu)； 左前探測聲納和右前探測聲納用于探測障礙距離，將左前探測聲納探測到的障礙距離 和右前探測聲納探測到的障礙距離rK，傳送到障礙信息融合模塊； 測高聲納用于采集UUV的實際高度hK，傳送給高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊； 深度計用于采集UUV的實際深度dK，分別傳送給深度控制器和高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊； 障礙信息融合模塊根據(jù)接收到的信息得到最近障礙距離A，傳送給避碰高度解算模塊； 避碰高度解算模塊根據(jù)最近障礙距離^解算出避碰高度Iv傳送給高度指令生成模塊； 高度指令生成模塊根據(jù)期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。，傳送給高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊； 高度與深度指令轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)接收的高度指令h。、實際高度匕和實際深度(1,產(chǎn)生深度指令d。，傳送給深度控制器； 深度控制器根據(jù)接收的深度指令d。和實際深度dK產(chǎn)生深度偏差，根據(jù)深度偏差產(chǎn)生控制指令，對UUV執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)，其特征在于:所述的左前探測聲納和右前探測聲納對稱安裝在UUV的艏部兩側(cè)，深度計和測高聲納分別安裝于UUV的腹部，測高聲納的波束方向為UUV的下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)，其特征在于:所述的左前探測聲納和右前探測聲納的波束中心分別位于UUV的縱中剖面兩側(cè)并且分別與縱中剖面的夾角為15度，左前探測聲納和右前探測聲納的波束中心分別與水平面的夾角為45度。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的UUV抵近海底作業(yè)的定高航行系統(tǒng)的航行方法，其特征在于，包括以下幾個步驟: 步驟一:左前探測聲納和右前探測聲納用于探測障礙距離，測高聲納用于采集UUV的實際高度比，深度計用于采集UUV的實際深度dK，根據(jù)左前探測聲納探測到的障礙距離和右前探測聲納探測到的障礙距離rK，得到最近障礙距離^:r0 = min (rL.cos α.cos β , rE.cos α.cos β ) 其中，α表示每個探測聲納的波束中心與水平面的夾角，β表示每個探測聲納的波束中心與UUV縱中剖面的夾角； 步驟二:根據(jù)最近障礙距離A解算出避碰高度&:

-rO
h0 = /l.e2。2 其中，λ為避碰幅度因子，σ為響應(yīng)距離因子； 步驟三:將期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。； 步驟四:根據(jù)實際高度hK和實際深度dK，將高度指令h。轉(zhuǎn)換為深度指令d。:
dc — hE+dR-hc ； 步驟五:深度控制器根據(jù)深度指令d。和實際深度dK得到深度偏差，利用PID控制算法，實現(xiàn)對UUV的運動控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種UUV抵近海底作業(yè)的定高航行方法，其特征在于:所述的避碰幅度因子λ取值范圍為2?10,響應(yīng)距離因子σ取值范圍為20?40。
【文檔編號】G01S15/08GK104316932SQ201410619398
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】陳濤, 郝冰, 侯恕萍, 張耕實, 周佳加, 張宏瀚 申請人:哈爾濱工程大學(xué)