一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法技术

本发明专利技术公开了一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，所述回收的逻辑流程如下：首先，当AUV结束任务后开始回收过程；其次，判断数据是否存在异常；再次，判断AUV的状态情况，若存在异常，则对其进行状态异常处理，否则将发出指令，执行下一步动作；最后，以是否回收成功作为逻辑流程终止判断条件。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术针对水面无人船自主回收水下航行器的作业过程，提出了一种自主水下航行器与水面无人船协同对接回收的规划方法，包括回收任务启动/终止、对接协调控制以及对接失败后的重规划等各阶段的控制策略，通过全过程的规划调整来保证整个回收过程的实效性，大幅提高水下航行器由水面无人船自主回收的成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法
本专利技术涉及一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，属于海上无人

技术介绍
水面无人船(UnmannedSurfaceVehicle，简称USV)和自主水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle，简称AUV)作为海上无人系统的主要组成部分，近年来受到国内外越来越多的关注。作为研究热点，其在军事和民用方面都有广阔的应用前景。随着各国对海洋战略的重视及海洋开发力度的加大，USV和AUV都将扮演越来越重要的角色，对人类水上工程应用、海洋军事活动及海洋开发利用等产生深远影响。作为无人平台，USV和AUV各有所长，也各有所短，无法相互替代。AUV受到水下通讯、导航和续航能力等技术瓶颈制约，很难独立的很好解决，严重影响了其工程应用前景。而USV的工作范围位于水上，深水活动能力和水下探测能力又受到一定的限制。将USV和AUV两种平台进行系统融合，来执行一系列不能由其中单个系统独立实现的任务，特别是需要建立水下的AUV和水面USV之间联系的某些场合，在海洋领域具有光明的前景，也可进一步发展成由USV和AUV组成的海上无人编队系统，充分发挥集群作用。其中，如何自主回收AUV是USV和AUV协同作业的重要关键技术。事实上，AUV由于其功能多样且具备隐蔽性高、机动性好等优点而广泛运用于海洋军事、海洋调查、海底资源勘探、管线巡检等各个领域，但由于水下数据的实时传输仍存在较大的难度，利用AUV执行任务时通常是在回收后才进行数据的下载；同时，AUV自带电池，其续航力受到限制，必须在回收后进行电力补给，因而AUV的成功回收显得格外重要。但由于海洋环境复杂，受海面的风、浪、流影响，自主水下航行器的回收问题一直是世界性的难题，成为限制水下航行器发展的技术瓶颈。尤其是有人辅助回收，需要人员乘坐机动艇靠近水下航行器进行吊点对接，当海况恶劣时母船升沉幅度较大，极易损害设备并严重威胁人员安全。因此，在水面以无人的方式自主引导对接并回收AUV技术成为近年来研究的热点。过去十多年内，以美国为首的西方国家先后提出多种无人布放和回收AUV的方式，但依然存在水动力影响严重、动态对接难度较大等缺陷，回收成功率较低。在水面无人船与自主水下航行器进行对接的关键过程中，AUV会受到复杂海洋环境扰动的影响，USV的运动状态也会因海面风、浪、流的作用而与期望状态发生偏离，再加上现有的通讯、定位等技术在充满不定因素的水下环境缺乏稳健性，这些都会极大的影响回收成功率。因此，在回收过程AUV如何进行规划调整以保证回收实效性是重要的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术上存在的不足，本专利技术的目的在于通过全过程的规划调整来保证整个回收过程的实效性，从而大幅提高水下航行器由水面无人船自主回收的成功率。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，所述回收的逻辑流程如下：首先，当AUV结束任务后开始回收过程，AUV、USV所搭载的各传感器同时工作，检测当前状态数据并实时传输至控制系统；其次，通过对状态数据的滤波处理以及各定位系统的信息进行校核，判断数据是否存在异常，若发现异常则进行数据异常处理，重新获取数据，否则进行状态危险度判断；再次，通过在控制系统内部嵌入AUV动力学模型，并将融合处理后的数据与AUV动力学模型航位推算得到的信息进行比较，从而判断AUV的状态情况，若存在异常，则对其进行状态异常处理，否则将发出指令，执行下一步动作；最后，以是否回收成功作为逻辑流程终止判断条件，若满足则结束，若不满足则进行各系统调整，重新工作。上述的一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，所述回收自主水下航行器的具体规划方法包括以下步骤：步骤一：AUV任务结束后，与USV进行通讯并向USV发送回收请求；步骤二：USV确认回收指令，启动回收程序，回收过程开始；步骤三：AUV上浮调整至预定深度；步骤四：USV根据风向传感器调整航向，实现顶风并按设定的航速前行；步骤五：AUV进行空间轨迹规划驶向USV尾部后下方，USV保持原运动；步骤六：通过超短基线定位系统得到AUV与USV水平面上的距离，从而判断AUV是否进入回收范围，如果是，转向步骤七，否则转向步骤五；步骤七：AUV对USV的航行轨迹进行估计，以航向及横向位移偏差为约束条件进行路径规划，选择最优路径航行至与USV同一直线，按设定航速同向前行，USV保持原运动；步骤八：通过超短基线定位系统得到AUV与USV水平面上的距离，从而判断是否满足能够对接距离，如果是，转向步骤九，否则转向步骤七；步骤九：AUV、USV减速，保持直线航线进行对接，过程中AUV利用视觉定位(通过前视摄像头观测USV的导引缆是否出现，及其与系缆钳的相对位置)实时监控对接目标状态，保证导引缆在系缆钳张开的范围内；步骤十：通过AUV艏部观测得到的导引缆与系缆钳动作情况或AUV艏部力传感器的脉冲信号，判断AUV是否对接成功，如果是转向步骤十二，否则转向步骤十一；步骤十一：启动AUV自我调整模式，进行重回收；步骤十二：AUV关闭推进器，向USV发送对接成功信号，USV收到信号后收缆，完成整个回收任务。上述的一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，在水下对接的过程中，从AUV捕获装置闭合且AUV与导引缆上的同步信号不为零开始表示AUV此次对接过程失败，所述步骤十一中AUV启动自我调整模式的具体实施步骤如下：由USBL超短基线定位系统测得数据获得AUV在USV当前艏向方向的位移偏差Δξ，作为判断依据；若Δξ＞0，则表示AUV位置仍处于USV后方，此时AUV采取对对接距离条件重新判断，尝试第二次对接；若Δξ＜0，则表示AUV错过对接目标，此时AUV采取保持原运动航行一段后重新进行空间轨迹规划进行调头，回到修正后的对接起点，开始尝试第二次的对接，此过程USV保持减速慢行；假设要求USV在逆风条件下直线航行所对应的实际轨迹为横向波动于设定直线的曲线，一定的横向误差能够由捕获装置开张尺度弥补，因此，由USV在对接阶段的始末两点推延得到USV后续运动的拟合线性轨迹aUSVx+bUSVy+cUSV＝0；其中，aUSV、bUSV和cUSV为USV水平面运动轨迹的线性参数，根据运动轨迹拟合得到。同理，得到AUV前次对接阶段的线性轨迹aAUVx+bAUVy+cAUV＝0；其中，aAUV、bAUV和cAUV为AUV水平面运动轨迹的线性参数，根据运动轨迹拟合得到。因此得到，修正后航向角为Ψcor＝Ψori+Δα，修正后的起始点横向坐标为ycor＝yori+Δy；其中Ψori为原对接航向，能够通过惯性导航系统/电罗经测量得到；Δα为修正角度，取yori为AUV原对接横向坐标，能够通过USBL超短基线定位系统测量得到，Δy为横向修正值，即横向位移偏差，取上述的一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，所述步骤三中AUV调整至预定深度的判断条件以测深仪输出的信息为主，满足hAUV-cmd＝hps；其中，hAUV-cmd是AUV深度调整的指令，hps是预设的AUV深度，满足hps∈(zUSV,zUSV-l·sinσ)，zUSV为USV垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，其特征在于：所述回收的逻辑流程如下：首先，当AUV结束任务后开始回收过程，AUV、USV所搭载的各传感器同时工作，检测当前状态数据并实时传输至控制系统；其次，通过对状态数据的滤波处理以及各定位系统的信息进行校核，判断数据是否存在异常，若发现异常则进行数据异常处理，重新获取数据，否则进行状态危险度判断；再次，通过在控制系统内部嵌入AUV动力学模型，并将融合处理后的数据与AUV动力学模型航位推算得到的信息进行比较，从而判断AUV的状态情况，若存在异常，则对其进行状态异常处理，否则将发出指令，执行下一步动作；最后，以是否回收成功作为逻辑流程终止判断条件，若满足则结束，若不满足则进行各系统调整，重新工作；所述回收自主水下航行器的具体规划方法包括以下步骤：步骤一：AUV任务结束后，与USV进行通讯并向USV发送回收请求；步骤二：USV确认回收指令，启动回收程序，回收过程开始；步骤三：AUV上浮调整至预定深度；步骤四：USV根据风向传感器调整航向，实现顶风并按设定的航速前行；步骤五：AUV进行空间轨迹规划驶向USV尾部后下方，USV保持原运动；步骤六：通过超短基线定位系统得到AUV与USV水平面上的距离，从而判断AUV是否进入回收范围，如果是，转向步骤七，否则转向步骤五；步骤七：AUV对USV的航行轨迹进行估计，以航向及横向位移偏差为约束条件进行路径规划，选择最优路径航行至与USV同一直线，按设定航速同向前行，USV保持原运动；步骤八：通过超短基线定位系统得到AUV与USV水平面上的距离，从而判断是否满足能够对接距离，如果是，转向步骤九，否则转向步骤七；步骤九：AUV、USV减速，保持直线航线进行对接，过程中AUV利用视觉定位，通过前视摄像头观测USV的导引缆是否出现，及其与系缆钳的相对位置，实时监控对接目标状态，保证导引缆在系缆钳张开的范围内；步骤十：通过AUV艏部观测得到的导引缆与系缆钳动作情况或AUV艏部力传感器的脉冲信号，判断AUV是否对接成功，如果是转向步骤十二，否则转向步骤十一；步骤十一：启动AUV自我调整模式，进行重回收；步骤十二：AUV关闭推进器，向USV发送对接成功信号，USV收到信号后收缆，完成整个回收任务；在水下对接的过程中，从AUV捕获装置闭合且AUV与导引缆上的同步信号不为零开始表示AUV此次对接过程失败，所述步骤十一中AUV启动自我调整模式的具体实施步骤如下：由USBL超短基线定位系统测得数据获得AUV在USV当前艏向方向的位移偏差Δξ，作为判断依据；若Δξ＞0，则表示AUV位置仍处于USV后方，此时AUV采取对对接距离条件重新判断，尝试第二次对接；若Δξ＜0，则表示AUV错过对接目标，此时AUV采取保持原运动航行一段后重新进行空间轨迹规划进行调头，回到修正后的对接起点，开始尝试第二次的对接，此过程USV保持减速慢行；假设要求USV在逆风条件下直线航行所对应的实际轨迹为横向波动于设定直线的曲线，一定的横向误差能够由捕获装置开张尺度弥补，因此，由USV在对接阶段的始末两点推延得到USV后续运动的拟合线性轨迹aUSVx+bUSVy+cUSV＝0；其中，aUSV、bUSV和cUSV为USV水平面运动轨迹的线性参数，根据运动轨迹拟合得到；同理，得到AUV前次对接阶段的线性轨迹aAUVx+bAUVy+cAUV＝0；其中，aAUV、bAUV和cAUV为AUV水平面运动轨迹的线性参数，根据运动轨迹拟合得到；因此得到，修正后航向角为Ψcor＝Ψori+Δα，修正后的起始点横向坐标为ycor＝yori+Δy；其中Ψori为原对接航向，能够通过惯性导航系统/电罗经测量得到；Δα为修正角度，取...

【技术特征摘要】
1.一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，其特征在于：所述回收的逻辑流程如下：首先，当AUV结束任务后开始回收过程，AUV、USV所搭载的各传感器同时工作，检测当前状态数据并实时传输至控制系统；其次，通过对状态数据的滤波处理以及各定位系统的信息进行校核，判断数据是否存在异常，若发现异常则进行数据异常处理，重新获取数据，否则进行状态危险度判断；再次，通过在控制系统内部嵌入AUV动力学模型，并将融合处理后的数据与AUV动力学模型航位推算得到的信息进行比较，从而判断AUV的状态情况，若存在异常，则对其进行状态异常处理，否则将发出指令，执行下一步动作；最后，以是否回收成功作为逻辑流程终止判断条件，若满足则结束，若不满足则进行各系统调整，重新工作；所述回收自主水下航行器的具体规划方法包括以下步骤：步骤一：AUV任务结束后，与USV进行通讯并向USV发送回收请求；步骤二：USV确认回收指令，启动回收程序，回收过程开始；步骤三：AUV上浮调整至预定深度；步骤四：USV根据风向传感器调整航向，实现顶风并按设定的航速前行；步骤五：AUV进行空间轨迹规划驶向USV尾部后下方，USV保持原运动；步骤六：通过超短基线定位系统得到AUV与USV水平面上的距离，从而判断AUV是否进入回收范围，如果是，转向步骤七，否则转向步骤五；步骤七：AUV对USV的航行轨迹进行估计，以航向及横向位移偏差为约束条件进行路径规划，选择最优路径航行至与USV同一直线，按设定航速同向前行，USV保持原运动；步骤八：通过超短基线定位系统得到AUV与USV水平面上的距离，从而判断是否满足能够对接距离，如果是，转向步骤九，否则转向步骤七；步骤九：AUV、USV减速，保持直线航线进行对接，过程中AUV利用视觉定位，通过前视摄像头观测USV的导引缆是否出现，及其与系缆钳的相对位置，实时监控对接目标状态，保证导引缆在系缆钳张开的范围内；步骤十：通过AUV艏部观测得到的导引缆与系缆钳动作情况或AUV艏部力传感器的脉冲信号，判断AUV是否对接成功，如果是转向步骤十二，否则转向步骤十一；步骤十一：启动AUV自我调整模式，进行重回收；步骤十二：AUV关闭推进器，向USV发送对接成功信号，USV收到信号后收缆，完成整个回收任务；在水下对接的过程中，从AUV捕获装置闭合且AUV与导引缆上的同步信号不为零开始表示AUV此次对接过程失败，所述步骤十一中AUV启动自我调整模式的具体实施步骤如下：由USBL超短基线定位系统测得数据获得AUV在USV当前艏向方向的位移偏差Δξ，作为判断依据；若Δξ＞0，则表示AUV位置仍处于USV后方，此时AUV采取对对接距离条件重新判断，尝试第二次对接；若Δξ＜0，则表示AUV错过对接目标，此时AUV采取保持原运动航行一段后重新进行空间轨迹规划进行调头，回到修正后的对接起点，开始尝试第二次的对接，此过程USV保持减速慢行；假设要求USV在逆风条件下直线航行所对应的实际轨迹为横向波动于设定直线的曲线，一定的横向误差能够由捕获装置开张尺度弥补，因此，由USV在对接阶段的始末两点推延得到USV后续运动的拟合线性轨迹aUSVx+bUSVy+cUSV＝0；其中，aUSV、bUSV和cUSV为USV水平面运动轨迹的线性参数，根据运动轨迹拟合得到；同理，得到AUV前次对接阶段的线性轨迹aAUVx+bAUVy+cAUV＝0；其中，aAUV、bAUV和cAUV为AUV水平面运动轨迹的线性参数，根据运动轨迹拟合得到；因此得到，修正后航向角为Ψcor＝Ψori+Δα，修正后的起始点横向坐标为ycor＝yori+Δy；其中Ψori为原对接航向，能够通过惯性导航系统/电罗经测量得到；Δα为修正角度，取yori为AUV原对接横向坐标，能够通过USBL超短基线定位系统测量得到，Δy为横向修正值，即横向位移偏差，取2.根据权利要求1所述的一种水面无人船导引缆回收自主水下航行器的规划方法，其特征在于：所述步骤三中AUV调整至预定深度的判断条件以测深仪输出的信息为依据，满...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏飞，沈雅琳，丁延旭，程文斌，程红霞，骆佳成，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32