一種基于偶極勢場的auv回塢導(dǎo)引系統(tǒng)及導(dǎo)引方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下航行器回收對接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于偶極勢場的AUV回 塢導(dǎo)引系統(tǒng)及導(dǎo)引方法。
【背景技術(shù)】
[0002] AUV (Autonomous Underwater Vehicle)作為一種水下自主運載工具，依靠自身所 攜帶的能源航行，可完成水下測量、物品投送等任務(wù)，在軍事海洋偵察、海洋環(huán)境監(jiān)測、油田 勘測等領(lǐng)域有著重要的作用。AUV執(zhí)行任務(wù)時攜帶的能源有限，對于長時間作業(yè)的AUV，必 須在執(zhí)行任務(wù)的區(qū)域通過作業(yè)母船對AUV進行布放和回收，以便完成補充能源、讀取信息、 維護保障等工作。為了提高作業(yè)效率，人們提出了 AUV的水下自主回收系統(tǒng)，自主回收控制 已經(jīng)成為當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域的研宄熱點之一。
[0003] 目前，AUV回塢導(dǎo)引方法主要有：
[0004] (1)基于橫向跟蹤控制的回塢導(dǎo)引方法。該方法首先需要定義一條AUV回收的中 軸線，然后AUV根據(jù)當(dāng)前位置與中軸線之間的距離偏差來控制AUV沿中軸線航行，最終實現(xiàn) AUV的回收。該方法的主要缺點是不適合初始位置在側(cè)面或后面的情況，也不適用于AUV的 動態(tài)回收。
[0005] (2)基于人工勢場的回塢導(dǎo)引方法。該方法采用傳統(tǒng)的人工勢場法，產(chǎn)生一條可到 達(dá)回收站的無碰航路，然后控制AUV沿航路航行，從而實現(xiàn)AUV的回收。該方法的主要缺點 是存在著局部極小點的問題，即AUV在靠近回收站時同時受到引力和斥力，合力可能為零， 一旦AUV陷入局部極小點就會出現(xiàn)回收站不可達(dá)問題，且在狹窄區(qū)域易發(fā)生路徑抖動等現(xiàn) 象。
[0006] (3)基于模糊理論的AUV回收運動方法。依據(jù)模糊控制理論的基礎(chǔ)，并根據(jù)控制對 象的特點，制定模糊控制規(guī)則，設(shè)計出模糊控制器，對AUV的回收運動過程進行控制。該方 法的主要缺點是模糊控制規(guī)則的獲取以及輸入模糊變量論域和隸屬函數(shù)的確定都是實驗 分析和操作人員經(jīng)驗的匯總，受人為主觀因素的影響較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 要解決的技術(shù)問題
[0008] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于偶極勢場的AUV回塢導(dǎo)引系 統(tǒng)及導(dǎo)引方法。
[0009] 技術(shù)方案
[0010] 一種基于偶極勢場的AUV回塢導(dǎo)引系統(tǒng)，其特征在于包括USBL收發(fā)器和兩個USBL 應(yīng)答器；USBL收發(fā)器設(shè)置于AUV的頭部的中心軸線上嗎，兩個USBL應(yīng)答器設(shè)置于回收站的 兩側(cè)；所述兩個USBL應(yīng)答器為電偶極子。
[0011] 一種利用權(quán)利要求1所述基于偶極勢場的AUV回塢導(dǎo)引系統(tǒng)導(dǎo)引AUV回塢的方 法，其特征在于步驟如下：
[0012] 步驟1 :AUV在回收坐標(biāo)系xoy下從初始點X(0) = [xO yO] T以初始航向角iHO) 開始進行回塢導(dǎo)引；其中：x、y為AUV在回收坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，（x(0)，y(0))在AUV航 行之前進行設(shè)定；所述回收坐標(biāo)系xoy是以回收站的兩側(cè)安裝的兩個USBL應(yīng)答器&和B 2 的中心為原點，兩個USBL應(yīng)答器&和B 2之間的連線為y軸，水平垂直于y軸且過原點的為 x軸；
[0013] 步驟2 :AUV上安裝的USBL收發(fā)器與回收站兩側(cè)的應(yīng)答器&和B 2進行通信，測量 出應(yīng)答器&和B 2在AUV體坐標(biāo)系x BoByB下的距離L i (i = 1，2)和方位y i (i = 1，2);
[0014] 步驟3 :計算應(yīng)答器1^和B 2在位置坐標(biāo)B i (xTi, yTi)，i = 1，2 :
[0015]
【主權(quán)項】
1. 一種基于偶極勢場的AUV回塢導(dǎo)引系統(tǒng)，其特征在于包括USBL收發(fā)器和兩個USBL 應(yīng)答器；USBL收發(fā)器設(shè)置于AUV的頭部的中心軸線上嗎，兩個USBL應(yīng)答器設(shè)置于回收站的 兩側(cè)；所述兩個USBL應(yīng)答器為電偶極子。
2. -種利用權(quán)利要求1所述基于偶極勢場的AUV回塢導(dǎo)引系統(tǒng)導(dǎo)引AUV回塢的方法， 其特征在于步驟如下： 步驟I :AUV在回收坐標(biāo)系xoy下從初始點X(O) = [xO y 0]T以初始航向角it (O)開 始進行回塢導(dǎo)引；其中：x、y為AUV在回收坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，（x(O)，y(0))在AUV航行 之前進行設(shè)定；所述回收坐標(biāo)系x〇y是以回收站的兩側(cè)安裝的兩個USBL應(yīng)答器&和B 2的 中心為原點，兩個USBL應(yīng)答器&和B 2之間的連線為y軸，水平垂直于y軸且過原點的為X 軸； 步驟2 :AUV上安裝的USBL收發(fā)器與回收站兩側(cè)的應(yīng)答器&和B 2進行通信，測量出應(yīng) 答器&和B 2在AUV體坐標(biāo)系X BoByB下的距離Li(i = 1，2)和方位yi(i = 1，2); 步驟3 :計算應(yīng)答器1和B 2在位置坐標(biāo)B i (xTi, yTi)，i = 1，2 :
步驟4 :根據(jù)電偶極子電場原理，定義電偶極矩矢量玩=^，應(yīng)答器
OE= (yT2-yTl,xn-xT1)_ 步驟5 :計算出AUV體坐標(biāo)系xBoByB和AUV回收坐標(biāo)系xoy之間的夾角：
Bi (xTi, yTi) i = 1，2是應(yīng)答器&和B 2在AUV體坐標(biāo)系X BoByB下的位置坐標(biāo)； 步驟6 :計算AUV在回收坐標(biāo)系xoy下的位置坐標(biāo)：
步驟7:定義偶極勢場F(n) = A(pTn)n-p(nTn), Fi2^K2是一個除了原點之外處處 非零的二維的矢量場，其中，常量A多2，p= [px py]T為偶極勢場的電偶極矩，n為偶極勢 場的位置矢量。偶極勢場最大的特點是在偶極勢場空間中任意一點的運動都沿著勢場線的 切線方向； 兩個應(yīng)答器在回收坐標(biāo)系xoy下的位置坐標(biāo)分別為P1= p lx, P1^p p2 = p2x, p2y，則電偶 極矩 P = P2x_Plx，P2y_PlyT; 由于AUV在偶極勢場中的位置矢量為n= [x y]T，則偶極勢場為 Fnx=(入 _1) (P 2X-PlX) X2+ 入(P2y_Ply) xy- (P2X-PlX) y2 Fny=(入 _1) (P 2y_Ply)又2+ 入(P2X-PlX) Xy_ (P2y_Ply) X2; 步驟8 :根據(jù)步驟7定義的偶極勢場，式確定AUV回收的航向角指令為：
步驟9 :根據(jù)步驟8的航向角指令！Dd，采用自適應(yīng)非奇異終端滑?？刂品椒▽较蚪?進行跟蹤控制，選擇舵角為：
側(cè)向速度和航向角速度，mn、m22和m 33為AUV包含附加質(zhì)量的慣性系數(shù)，d n、d22和d 33為AUV 的流體動力阻尼系數(shù)，N。為AUV偏航力矩系數(shù)。0、n都為常量且n >〇，0 >〇，P>q
步驟10 :如果AUV與回收點的距離小于給定的可接受誤差時，則轉(zhuǎn)到下一步驟；否則返 回到步驟2 ; 步驟11 :AUV已經(jīng)到達(dá)回收點，回塢結(jié)束。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于偶極勢場的AUV回塢導(dǎo)引系統(tǒng)及導(dǎo)引方法，其特征在于AUV的頭部安裝有USBL收發(fā)器，回收站的兩側(cè)安裝兩個USBL應(yīng)答器；AUV利用收發(fā)器可測量應(yīng)答器在AUV體坐標(biāo)系xBoByB下的距離和方位；根據(jù)距離和方位計算出AUV在回收坐標(biāo)系xoy下的坐標(biāo)，并基于偶極勢場原理，得到AUV回塢的期望航向角指令；AUV利用自適應(yīng)非奇異終端滑?？刂品椒刂艫UV以期望的航向角航行，實現(xiàn)回塢導(dǎo)引。該方法可直接計算出AUV在回收坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。然后利用建立的偶極勢場導(dǎo)引AUV沿回收站中軸線方向進入回收站，該方法簡單，計算量較小，使得回塢過程中實際航向角和指令航向角之間的誤差很小，回塢效果優(yōu)于其它回塢算法。
【IPC分類】G05D1-10
【公開號】CN104820430
【申請?zhí)枴緾N201510226276
【發(fā)明人】嚴(yán)衛(wèi)生, 齊貝貝, 高劍, 崔榮鑫, 王銀濤, 李慧平
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月6日