CN107817806B - 一种用于auv自主对接潜标的水平航路解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于AUV自主对接潜标的水平航路解算方法，涉及水下航行器领域，本发明依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，采用追踪法向潜标航行得到航向指令，在一获悉潜标开口方位后，依据AUV相对于潜标所处态势，确定AUV的航向调整区域，依据航向调整区域，执行对应的航向指令，依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，采用追踪法向潜标航行，直至AUV与潜标完成对接；本发明本由于采用了航路分段细分的技术方案，综合考虑了AUV探测能力及航行性能，流程简单明确，易控制实现，较好的解决了AUV水下自主对接潜标的航路规划技术问题。

Description

一种用于AUV自主对接潜标的水平航路解算方法

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，尤其是一种水平对接航路解算方法。

背景技术

潜标是一种可长期锚系于海底的探测设备，可布放在敏感海区，长期监测收集附近海况信息、隐蔽探测过往的外来目标信息等。在不暴露潜标位置信息的条件下，定期或不定期提取潜标存储的数据，可通过AUV(Autonomous Underwater Vehicle，无人自主水下航行器)与潜标对接实现数据传递。

AUV是具有一定自主能力的无人水下航行器，通常采用尾部鳍舵与推进器布局的操纵形式，其中，推进器用于提供AUV航行推力，鳍舵用于操纵AUV在垂直平面爬升、下潜及水平面调整航向。AUV自主对接是AUV依据自身搭载的声传感器探测出潜标方位，并自主调整航向，最终实现与潜标的对接过程。AUV与潜标的对接过程不仅要求AUV自主航行到潜标附近，还要求AUV在对接时自身纵轴与潜标的开口方向呈平行状态，通常声传感器在水下的探测范围成扇面状，且探测距离较远时对潜标只能作点处理，不能分辨潜标开口方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种AUV自主对接潜标的水平航路解算方法，是依据AUV探测能力及航行性能确定其水平航路解算的方法，具体是一种适用于尾部鳍舵与推进器布局的AUV定点定向精确导引的水平对接航路解算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细步骤如下：

步骤一：依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，AUV采用追踪法向潜标航行，航向指令如下：

Ψ′＝Ψ+Δq (1)

式(1)中，Ψ′表示下一时间步的AUV航向指令，Ψ为当前时间步的AUV航向角，Δq表示潜标相对AUV纵轴的夹角；

AUV依据式(1)指令靠近潜标，直至距潜标距离小于L₁时，转步骤二，其中，L₁为AUV声传感器可分辨出潜标开口方位的最大距离值；

步骤二：AUV在步骤一获悉潜标开口方位后，依据AUV相对于潜标所处态势，确定AUV的航向调整区域，具体判定原则如下：

其中，

式(2)和(3)中，ΔΨ表示AUV相对于潜标开口方位的水平态势，Ψ ₁表示AUV 处于相向区域的界限值，Ψ ₂表示AUV处于背向区域的界限值，Ψ _H表示潜标开口方位， Q表示AUV声传感器探测范围扇面角，q₁表示AUV避免碰撞潜标的最小提前角，L₂表示保证AUV可实现与潜标精确对接的最短直线距离，R表示AUV的回转半径，v表示 AUV的航速，T表示AUV的单次操舵时间周期；

步骤三：依据步骤二中判定的AUV所处的航向调整区域，执行对应的航向指令，具体对应三种情况：

(1)当AUV处于相向区域时，对应航向指令如下：

其中，Ψ ₁′表示相向区域对应的航向指令；Δt₁表示Ψ ₁′航向指令的持续时间，AUV按式(4)定义的航向指令执行时间Δt₁后，即转为步骤四；

(2)当AUV处于侧向区域时，对应航向指令如下：

其中，Ψ ₂₁′表示侧向区域对应的第一次航向指令；Δt₂₁表示Ψ ₂₁′航向指令的持续时间；

AUV按式(6)定义的航向指令执行时间Δt₂₁后，转为执行航向指令如下：

其中，Ψ ₂₂′表示侧向区域对应的第二次航向指令，AUV按式(8)航向指令将航向角Ψ调整到Ψ ₂₂′后，转到步骤四；

(3)当AUV处于背向区域时，对应航向指令如下：

Ψ ₃₁′＝Ψ+sign(ΔΨ)q₁ (9)

AUV按式(9)定义的航向指令执行时间Δt₃₁后，转为执行航向指令如下：

Ψ ₃₂′＝Ψ _H (11)

AUV按式(11)定义的航向指令执行时间Δt₃₂后，转为执行航向指令如下：

Ψ ₃₃′＝-Ψ _H (13)

AUV按式(13)航向指令将航向角Ψ调整到Ψ ₃₃′后，转到步骤四；

步骤四：依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，AUV采用追踪法向潜标航行，航向指令同式(1)，直至AUV与潜标完成对接。

本发明的有益效果由于采用了航路分段细分的技术方案，综合考虑了AUV探测能力及航行性能，流程简单明确，易控制实现，较好的解决了AUV水下自主对接潜标的航路规划技术问题。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明进一步说明。

本发明将AUV自主对接潜标的水平航路划分为三个阶段，按相对潜标距离由远及近、执行时间有先至后具体分为：定点追踪阶段、全态势航向调整阶段及精确对接阶段。其中，定点追踪阶段，AUV与潜标距离较远，其探测能力仅能识别潜标为点目标，无法辨识潜标开口方向，随着AUV不断向潜标驶近，其探测识别能力逐渐增强，该阶段转为全态势航向调整阶段的标志是其探测能力已获悉潜标开口方向；全态势航向调整阶段，AUV已获悉潜标开口方向，根据AUV相对于潜标的态势不同，具体可分为三类不同的航向调整区域：相向区域、侧向区域及背向区域，每个区域对应一种航向调整方法，其作用是将AUV调整到潜标开口航向，该阶段航向调整方法执行完后即转为精确对接阶段；精确对接阶段，AUV已调整至潜标开口方向，按照追踪法驶进潜标，既可完成对接。

本发明即确定AUV自主对接潜标过程所处不同航路阶段的航向指令。

本发明的详细步骤如下：

步骤一：依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，AUV采用追踪法向潜标航行，航向指令如下：

Ψ′＝Ψ+Δq (1)

式(1)中，Ψ′表示下一时间步的AUV航向指令，Ψ为当前时间步的AUV航向角，Δq表示潜标相对AUV纵轴的夹角；

AUV依据式(1)指令靠近潜标，直至距潜标距离小于L₁时，转步骤二，其中，L₁为AUV声传感器可分辨出潜标开口方位的最大距离值；

步骤二：AUV在步骤一获悉潜标开口方位后，依据AUV相对于潜标所处态势，确定AUV的航向调整区域，具体判定原则如下：

其中，

式(2)和(3)中，ΔΨ表示AUV相对于潜标开口方位的水平态势，Ψ ₁表示AUV 处于相向区域的界限值，Ψ ₂表示AUV处于背向区域的界限值，Ψ _H表示潜标开口方位， Q表示AUV声传感器探测范围扇面角，q₁表示AUV避免碰撞潜标的最小提前角，L₂表示保证AUV可实现与潜标精确对接的最短直线距离，R表示AUV的回转半径，v表示 AUV的航速，T表示AUV的单次操舵时间周期；

步骤三：依据步骤二中判定的AUV所处的航向调整区域，执行对应的航向指令，具体对应三种情况：

(1)当AUV处于相向区域时，对应航向指令如下：

其中，Ψ ₁′表示相向区域对应的航向指令；Δt₁表示Ψ ₁′航向指令的持续时间，AUV按式(4)定义的航向指令执行时间Δt₁后，即转为步骤四；

(2)当AUV处于侧向区域时，对应航向指令如下：

其中，Ψ ₂₁′表示侧向区域对应的第一次航向指令；Δt₂₁表示Ψ ₂₁′航向指令的持续时间；

AUV按式(6)定义的航向指令执行时间Δt₂₁后，转为执行航向指令如下：

其中，Ψ ₂₂′表示侧向区域对应的第二次航向指令，AUV按式(8)航向指令将航向角Ψ调整到Ψ ₂₂′后，转到步骤四；

(3)当AUV处于背向区域时，对应航向指令如下：

Ψ ₃₁′＝Ψ+sign(ΔΨ)q₁ (9)

AUV按式(9)定义的航向指令执行时间Δt₃₁后，转为执行航向指令如下：

Ψ ₃₂′＝Ψ _H (11)

AUV按式(11)定义的航向指令执行时间Δt₃₂后，转为执行航向指令如下：

Ψ ₃₃′＝-Ψ _H (13)

AUV按式(13)航向指令将航向角Ψ调整到Ψ ₃₃′后，转到步骤四；

步骤四：依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，AUV采用追踪法向潜标航行，航向指令同式(1)，直至AUV与潜标完成对接。

Claims (1)

1.一种用于AUV自主对接潜标的水平航路解算方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，AUV采用追踪法向潜标航行，航向指令如下：

Ψ′＝Ψ+Δq (1)

式(1)中，Ψ′表示下一时间步的AUV航向指令，Ψ为当前时间步的AUV航向角，Δq表示潜标相对AUV纵轴的夹角；

AUV依据式(1)指令靠近潜标，直至距潜标距离小于L₁时，转步骤二，其中，L₁为AUV声传感器可分辨出潜标开口方位的最大距离值；

步骤二：AUV在步骤一获悉潜标开口方位后，依据AUV相对于潜标所处态势，确定AUV的航向调整区域，具体判定原则如下：

其中，

式(2)和(3)中，ΔΨ表示AUV相对于潜标开口方位的水平态势，Ψ ₁表示AUV处于相向区域的界限值，Ψ ₂表示AUV处于背向区域的界限值，Ψ _H表示潜标开口方位，Q表示AUV声传感器探测范围扇面角，q₁表示AUV避免碰撞潜标的最小提前角，L₂表示保证AUV可实现与潜标精确对接的最短直线距离，R表示AUV的回转半径，v表示AUV的航速，T表示AUV的单次操舵时间周期；

步骤三：依据步骤二中判定的AUV所处的航向调整区域，执行对应的航向指令，具体对应三种情况：

(1)当AUV处于相向区域时，对应航向指令如下：

其中，Ψ ₁′表示相向区域对应的航向指令；Δt₁表示Ψ ₁′航向指令的持续时间，AUV按式(4)定义的航向指令执行时间Δt₁后，即转为步骤四；

(2)当AUV处于侧向区域时，对应航向指令如下：

其中，Ψ ₂₁′表示侧向区域对应的第一次航向指令；Δt₂₁表示Ψ ₂₁′航向指令的持续时间；

AUV按式(6)定义的航向指令执行时间Δt₂₁后，转为执行航向指令如下：

其中，Ψ ₂₂′表示侧向区域对应的第二次航向指令，AUV按式(8)航向指令将航向角Ψ调整到Ψ ₂₂′后，转到步骤四；

(3)当AUV处于背向区域时，对应航向指令如下：

Ψ ₃₁′＝Ψ+sign(ΔΨ)q₁ (9)

AUV按式(9)定义的航向指令执行时间Δt₃₁后，转为执行航向指令如下：

Ψ ₃₂′＝Ψ _H (11)

AUV按式(11)定义的航向指令执行时间Δt₃₂后，转为执行航向指令如下：

Ψ ₃₃′＝-Ψ _H (13)

AUV按式(13)航向指令将航向角Ψ调整到Ψ ₃₃′后，转到步骤四；

步骤四：依据声传感器探测出的潜标相对AUV的航向角信息，AUV采用追踪法向潜标航行，航向指令同式(1)，直至AUV与潜标完成对接。