一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法技术

本发明专利技术提出一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法，AUV以航路点导引方式依次完成航路点，并到达位于回收站正前方的最后一个航路点，根据参考航向角以及水下航行器速度，采用模糊控制直线跟踪方法继续行驶，进行水下航行器自适应导引对接回收；并在接近回收站的过程中，接收USBL定位测量结果，结合航行器自身的经纬度，对回收站的经纬度进行实时更新；当水下航行器与回收站距离小于设定值后，根据水下航行器速度判断水下航行器是否实现回坞。本发明专利技术能够实现AUV的水下回收，降低AUV能源消耗，同时避免发生不必要的碰撞，提高对接成功率。提高对接成功率。提高对接成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法


[0001]本专利技术涉及的是一种自主水下航行器与回收站的对接方法，更具体地说是基于超短基线声学定位的自主水下航行器在水下与回收站进行回收对接的控制方法。

技术介绍

[0002]21世纪以来，人类社会的发展速度超过了以往几千年的历史时期，自然资源的消耗也达到了空前规模，随之人类开始将目光转向蕴含着丰富资源的海洋空间。海洋资源的开发利用需要先进的设备和技术，而自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles，简称AUV)作为我们认识和探索海洋领域必不可缺的工具，也逐渐被广泛应用。
[0003]AUV在水下活动的时间主要受自身携带能源的限制，为了提高AUV的工作效率，节省回收布放所耗时间，水下的对接回收成为实现AUV连续工作的关键技术。此外，水下对接因其隐蔽性强的特点，可以在不被海面以上发现的情况下完成回收任务，在军事领域上应用更为广泛，但是在水下对接回收方面存在很多技术难题，比如AUV航行路径的规划、AUV自身经纬度的测量。以往的研究提出过多种无人水下航行器的回收对接方式，但是仍存在着对接难度大、精度不高等缺陷，回收成功率较低。可以说AUV的水下自主回收技术优势与难点并存，迫切需要相关知识理论研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法，旨在保证AUV的水下回收，降低AUV能源消耗，同时避免发生不必要的碰撞，提高对接成功率。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]所述一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：按照任务需求设定航路点，并根据回收站位置及回收方向，将最后一个航路点设置在回收站正前方；
[0008]步骤2：水下航行器以航路点导引方式依次完成航路点，并到达位于回收站正前方的最后一个航路点；
[0009]步骤3：根据参考航向角ψ
ref
以及水下航行器速度，采用模糊控制直线跟踪方法继续行驶，进行水下航行器自适应导引对接回收；并在接近回收站的过程中，接收超短基线声学定位测量的回收站距离和方位，根据测量结果，结合航行器自身的经纬度，对回收站的经纬度进行实时更新；
[0010]步骤4：当水下航行器与回收站距离小于设定值后，根据水下航行器速度判断水下航行器是否实现回坞；如果水下航行器的的位置超过回收站后方设定值后，判定对接失败，此时根据设定的回收尝试次数判断是否进行下一次回收机动，若小于回收尝试次数，则控
制水下航行器返回到最后一个航路点，并返回步骤3，否则结束任务浮出水面等待打捞。
[0011]进一步的，步骤3中参考航向角ψ
ref
通过以下过程得到：
[0012]参考航向角ψ
ref
的计算方式为：
[0013]ψ
ref
＝ψ
cr
+ψ
init
[0014]其中ψ
cr
为直线跟踪角，ψ
in
i
t
为任务初始设定的参考航向角；
[0015]ψ
cr
＝
‑
arctan(k*L)
[0016]K为根据水下航行器与回收站距离而确定的直线跟踪参数；L为水下航行器与回收站之间的横向距离。
[0017]进一步的，在水下航行器距离回收站200米以外时，选择直线跟踪参数k＝0.05，在水下航行器距离回收站200米及200米以内时，选择直线跟踪参数k＝0.1。
[0018]进一步的，水下航行器与回收站之间的横向距离L＝dN1*sin(ψ)+dE1*cos(ψ)，其中北向距离dN1和东向距离dE1为
[0019]dN1＝(Dlat
‑
Glat)*M1[0020]dE1＝(Dlon
‑
Glon)*M2[0021]M1＝R
e
[0022][0023]M1是地球子午圈的半径R
e
；M2是地球平行圈的半径；Glon和Glat为水下航行器的经度和纬度；ψ为水下航行器的航向角，Dlon和Dlat为回收站的经度和纬度。
[0024]进一步的，步骤3中，对回收站的经纬度进行实时更新的过程为：
[0025]根据超短基线USBL测量得到的水下航行器相对于回收站之间的斜距R、水下航行器相对于回收站的方位角θ
yz
、水下航行器相对于回收站的俯仰角θ
xz
，并结合水下航行器自身的经纬度Glon和Glat，对回收站经纬度Dlon和Dlat进行更新：
[0026]回收站距离航行器的东向距离dE和北向距离dN可以通过以下公式求得：
[0027]dE＝(
‑
1.0)*Rcos(θ
xz
)sin(ψ
‑
θ
yz
)
[0028]dN＝Rcos(θ
xz
)cos(ψ
‑
θ
yz
)
[0029]并根据纬度更新率ρ1和经度更新率ρ2，计算出更新后的回收站的经纬度：
[0030]Dlon＝Glon+dE*ρ2[0031]Dlat＝Glat+dN*ρ1。
[0032]进一步的，纬度更新率ρ1和经度更新率ρ2根据公式
[0033][0034][0035]其中e2为地球的第一偏心率。
[0036]进一步的，步骤4中，当水下航行器与回收站距离小于20米后，根据水下航行器速度判断水下航行器是否实现回坞：
[0037]当水下航行器在载体坐标系下对地的前向速度V
x
≤0.2m/s，且保持连续时间在
20s以上，则认为水下航行器已经成功回坞，否则认为水下航行器回坞失败。
[0038]进一步的，当水下航行器回坞失败，则航行器继续行驶，并判断航行器位置是否超过回收站，当航行器的位置超过回收站后方80米时，则判断对接失败。
[0039]有益效果
[0040]本专利技术所构思的技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点如下：
[0041]1、本专利技术将回收过程包括两部分，一是采用直线跟踪算法对AUV从最后一个设定航路点到回收站之间的路径进行跟踪控制，二是在跟踪控制过程中，利用USBL对回收站位置进行实时更新，提高控制精度，保证AUV能安全可靠地进入回收站；
[0042]2、本专利技术通过惯性导航系统和USBL系统反馈的信息计算得到AUV与回收站的动态信息，以此作为依据来判断回收成功，无需人为干预即可完成回收过程；
[0043]3、由于一定存在不易预估且不可避免的外界因素，面对AUV与回收站对接失误的情况，本专利技术给出了失误时的处理方式，在实际应用中能更方便安全地完成任务；
[0044]4、本专利技术中所需的各项数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：按照任务需求设定航路点，并根据回收站位置及回收方向，将最后一个航路点设置在回收站正前方；步骤2：水下航行器以航路点导引方式依次完成航路点，并到达位于回收站正前方的最后一个航路点；步骤3：根据参考航向角ψ
ref
以及水下航行器速度，采用模糊控制直线跟踪方法继续行驶，进行水下航行器自适应导引对接回收；并在接近回收站的过程中，接收超短基线声学定位测量的回收站距离和方位，根据测量结果，结合航行器自身的经纬度，对回收站的经纬度进行实时更新；步骤4：当水下航行器与回收站距离小于设定值后，根据水下航行器速度判断水下航行器是否实现回坞；如果水下航行器的的位置超过回收站后方设定值后，判定对接失败，此时根据设定的回收尝试次数判断是否进行下一次回收机动，若小于回收尝试次数，则控制水下航行器返回到最后一个航路点，并返回步骤3，否则结束任务浮出水面等待打捞。2.根据权利要求1所述一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法，其特征在于：步骤3中参考航向角ψ
ref
通过以下过程得到：参考航向角ψ
ref
的计算方式为：ψ
ref
＝ψ
cr
+ψ
init
其中ψ
cr
为直线跟踪角，ψ
init
为任务初始设定的参考航向角；ψ
cr
＝
‑
arctan(k*L)K为根据水下航行器与回收站距离而确定的直线跟踪参数；L为水下航行器与回收站之间的横向距离。3.根据权利要求2所述一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法，其特征在于：在水下航行器距离回收站200米以外时，选择直线跟踪参数k＝0.05，在水下航行器距离回收站200米及200米以内时，选择直线跟踪参数k＝0.1。4.根据权利要求2所述一种基于超短基线声学定位的水下航行器自适应导引对接回收方法，其特征在于：水下航行器与回收站之间的横向距离L＝dN1*sin(ψ)+dE1*cos(ψ)，其中北向距离dN1和东向距离dE1为dN1＝(Dlat
‑
Gla...

【专利技术属性】
技术研发人员：高剑，史李茹，陈依民，张元旭，李琦，张福斌，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：