一种USV水面动态自主回收UUV的方法与流程

本发明涉及的是一种水下无人航行器(unmannedunderwatervehicle，uuv)的回收方法，具体的是一种利用水面无人航行器(unmannedsurfacevehicle，usv)水面动态自主回收uuv的方法。

背景技术：

uuv是一种可重复使用的海洋工具，uuv执行完使命任务后是必须要进行回收的，因此对uuv进行安全回收是uuv使用的一个关键环节。目前uuv的回收主要有水面回收和水下回收两种方式。对于水面回收，通常是将uuv回收到有人水面船上，整个回收过程是通过人工操作完成的。然而，随着海上无人系统的快速发展，出现了usv和uuv两个海上无人系统协同作业的应用方式。由于usv的体积大、速度快，因此可利用usv携带uuv执行使命任务，usv携带uuv航渡至任务区域后将uuv布放入水，然后usv和uuv各自进行作业任务。待任务执行完成后，usv对uuv进行回收后返航。usv和uuv从航渡、布放、作业、回收的整个过程都是无人干预、自主完成的。特别地，对于usv回收uuv来说，要实现在动态条件下、完全自主、安全可靠的完成整个回收过程，是具有一定难度的。

申请号为201610104470.1的专利文件中公开了一种“基于鲁棒约束模型预测控制的uuv对线控位回收方法”，主要解决水下母船背驮式搭载uuv的自主回收方法。首先该专利是利用水下母船进行uuv的水下回收，与本发明的利用usv进行水面回收不同。其次该专利重点解决以水下背驮式搭载回收uuv的控制方法，与本发明重点解决usv和uuv相互配合进行回收的机动策略和航行方法不同。

申请号为201310639638.5的专利文件中公开了“一种自治水下航行器的回收系统及其回收方法”，主要解决工作人员位于母船上实现回收水下航行器的装置和方法。该专利虽然是水面母船回收，但是母船是有人的，而且回收过程是人工操作完成的，与本发明利用usv进行无人干预的、水面自主回收不同。其次该专利重点是提出了一种安装在水面母船上的a型架、起吊锁等为主要设备的回收装置以及人工操作该装置回收uuv的方法，与本发明重点解决usv和uuv相互配合进行回收的机动策略和航行方法不同。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种不需要人为干预，usv和uuv可根据现场态势完全自主的采取回收机动策略航行，完成usv水面动态自主回收uuv的方法。

一种usv水面动态自主回收uuv的方法，包括以下步骤，

步骤一：uuv和usv在水面待机，uuv向usv发送回收请求，启动回收过程；

步骤二：usv以固定速度驶向uuv，uuv保持原地待机；

步骤三：判断usv是否进入回收圆，如果进入回收圆转步骤四，否则转步骤二；

步骤四：usv根据进入回收圆的限象，解算出其要跟踪的虚拟usv的初始位置点pf_v_usv，uuv保持原地待机；

步骤五：虚拟usv的运动是从初始位置点pf_v_usv，按照顶风航向，沿直线航行；进行虚拟usv的运动解算，得到虚拟usv的位置，usv跟踪虚拟usv；uuv保持原地待机；

步骤六：判断usv是否进入激活圆，如果没有进入激活圆转步骤五，否则转步骤七；

步骤七：usv保持当前航向和航速航行，并通过无线电向uuv发送激活指令；

步骤八：uuv接收激活指令后，进行虚拟uuv的运动解算，得到虚拟uuv的位置，并开始跟踪虚拟uuv；

步骤九：判断uuv是否进入对接圆，如果没有进入对接圆转步骤八，否则转步骤十；

步骤十：uuv释放对接机构，同时通过无线电通知usv释放对接结构；

步骤十一：uuv与usv通过对接机构进行对接，回收完成。

本发明一种usv水面动态自主回收uuv的方法，还可以包括：

1、所述的步骤二中，usv以固定速度驶向uuv的航向指令和速度指令为：

uusv_cmd(t)＝uusv_c

其中，ψusv_cmd(t)表示usv的航向指令；是uuv的位置点坐标，通过uuv上的gps传感器测量得到；是usv的位置点坐标，通过usv上的gps传感器测量得到；uusv_cmd(t)表示usv的航速指令；uusv_c为设定的usv固定航速。

2、所述的步骤三中，判断usv是否进入回收圆的条件为：

如果满足条件则usv进入回收圆；

其中，dusvtouuv(t)表示usv到uuv的距离；rhoming表示回收圆的半径，取uuv和usv体长和的5倍。

3、所述的步骤四中，解算出虚拟usv的初始位置点pf_v_usv的方法为：

以uuv所在位置为原点，建立北东直角坐标系，分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ共4个限象；其中，东北为第ⅰ象限、东南为第ⅱ象限、西北为第ⅲ象限、西南为第ⅳ象限；如果usv从第ⅰ限象进入回收圆，那么令如果usv从第ⅱ限象进入回收圆，那么令如果usv从第ⅲ或第ⅳ限象进入回收圆，那么令且有l＝3×luuv，luuv为uuv的体长。

4、所述的步骤五中，进行虚拟usv的运动解算，得到虚拟usv的位置

其中，pv_usv(t)表示t时刻虚拟usv的位置点，且有为虚拟usv的位置点坐标；αw是迎风角，且有αw＝αwind+π，αwind为风向角，可由usv上的风向传感器测得；为虚拟usv运动参考量，且有

进一步得到，usv跟踪虚拟usv的航向指令和速度指令为：

5、所述的步骤六中，判断usv是否进入激活圆的条件为：

满足条件则认为usv进入激活圆；

其中，dusvtov_usv(t)表示usv到虚拟usv的距离；ractive表示激活圆的半径。

6、所述的步骤八中，进行虚拟uuv的运动解算，得到虚拟uuv的位置为：

其中，pv_uuv(t)表示虚拟uuv的位置点，且有为对接点，为usv上释放出对接机构后对接机构的位置点，随usv的运动而运动，为对接点坐标；称为虚拟uuv运动参考量；ψusv(t)表示usv的实际航向角，通过uuv上的罗经传感器测量得到；

进一步得到，uuv跟踪虚拟uuv时的航向指令和速度指令为：

uuuv_cmd(t)＝uuuv_max·ρusv(t)·ρuuv(t)

其中，ψuuv_cmd(t)表示uuv的航向指令；uuuv_cmd(t)表示uuv的航速指令；uuuv_max表示uuv的最大航行速度，是恒定值；ρusv(t)表示与usv相关的衰减系数；ρuuv(t)表示与uuv相关的衰减系数。

7、所述的步骤十中，判断uuv是否进入对接圆的条件为：

满足条件则认为uuv进入对接圆；

其中，duuvtov_uuv(t)表示uuv到虚拟uuv的距离；rdocking表示对接圆的半径。

8、所述的对接点pd(t)为：

其中，ld是usv的重心到对接机构的位置点的长度，pusv(t)为usv当前的位置；

虚拟uuv运动参考量的为：

其中，uuuv(t)表示uuv的实际航行速度，通过uuv上的dvl测量得到。

9、所述的与usv相关的衰减系数ρusv(t)和与uuv相关的衰减系数ρuuv(t)为：

其中：称为虚拟usv调节量；称为虚拟uuv调节量。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明根据回收态势设计了虚拟usv和虚拟uuv的运动策略，然后通过使usv跟踪虚拟usv以及使uuv跟踪虚拟uuv，完成usv和uuv精确回收航行机动，可以实现动态条件下、无人干预、安全可靠的usv自主回收uuv。

2.本发明在usv和uuv的回收机动航行时，考虑了风对回收的影响，使整个回收过程均顶风进行，而顶风航行是利于usv和uuv的航向稳定，可以提高回收的快速性和安全性。

3.本发明中usv和uuv的指令解算以及虚拟usv和虚拟uuv的运动解算所用到的信息量少、计算简单、易于工程实现。

附图说明

图1usv回收uuv的示意图；

图2usv水面动态回收uuv的流程图；

图3回收圆和虚拟usv的初始位置点示意图；

图4usv跟踪虚拟usv示意图；

图5uuv跟踪虚拟uuv示意图；

图6usv对接点和虚拟uuv的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式。

结合图1，usv水面动态回收uuv的过程可以描述为：

回收初始状态，usv和uuv都漂浮于水面，而且整个回收过程也是在水面完成。usv和uuv通过所配置的无线电通信设备进行通信联络，启动回收过程。回收过程开始后，usv和uuv分别根据各自的回收机动策略进行航行，目的是形成使uuv和usv逐步接近并且uuv尾随跟踪usv的航行态势。当uuv和usv的距离、航向满足回收对接条件时，usv和uuv各自伸出对接机构进行对接，整个回收过程完成。

结合图2，usv水面动态回收uuv的流程可以描述为：

步骤一：uuv和usv在水面待机，uuv向usv发送回收请求，启动回收过程；

步骤二：usv以固定速度驶向uuv，uuv保持原地待机，usv的航向指令和速度指令由式(1)和式(2)解算：

uusv_cmd(t)＝uusv_c(2)

式中，ψusv_cmd(t)表示usv的指令航向；是uuv的位置点坐标，可通过uuv上的gps传感器测量得到；是usv的位置点坐标，可通过usv上的gps传感器测量得到；uusv_cmd(t)表示usv的指令航速；uusv_c为设定的usv固定航速。

步骤三：usv判断是否进入回收圆，如果进入回收圆转步骤四，否则转步骤二；判断进入回收圆的方法如式(3)所示：

式中，dusvtouuv(t)表示usv到uuv的距离；rhoming表示回收圆的半径。

回收圆如图3所示，是以uuv所在位置为圆心，rhoming为半径的圆，一般rhoming可取uuv和usv体长和的5倍，即rhoming＝5×(luuv+lusv)，luuv是uuv的体长，lusv是usv的体长。usv进入回收圆，表明usv和uuv的距离较近，可以进行后续回收航行机动和回收动作。

步骤四：usv根据进入回收圆的限象，解算出自己要跟踪的虚拟usv的初始位置点为要跟踪的虚拟usv的初始位置点坐标，uuv保持原地待机。

如图3所示，以uuv所在位置为原点，建立北东(ne)直角坐标系，分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ共4个限象。如果usv从第ⅰ限象进入回收圆，那么令如果usv从第ⅱ限象进入回收圆，那么令如果usv从第ⅲ或第ⅳ限象进入回收圆，那么令且有l＝3×luuv。

步骤五：usv按一定的运动规律解算虚拟usv的位置，usv跟踪虚拟usv；uuv保持原地待机。usv的航向指令和速度指令由式(4)和式(5)解算：

式中，表示虚拟usv的位置点坐标，通过解算得到。

usv跟踪虚拟usv的示意如图4所示。虚拟usv的运动是从初始位置点pf_v_usv，按照顶风航向，沿直线航行。usv则以式(4)和式(5)为指令保持对虚拟usv的跟踪。

虚拟usv的运动及各时刻的位置解算方法由式(6)给出：

式中，pv_usv(t)表示虚拟usv的位置点，且有αw是迎风角，且有，αw＝αwind+π，αwind为风向角，可由usv上的风向传感器测得；称为虚拟usv运动参考量，由式(7)更新得到：

步骤六：usv判断是否进入激活圆，如果没有进入激活圆转步骤五，否则转步骤七；判断进入回收圆的方法如式(8)所示：

式中，dusvtov_usv(t)表示usv到虚拟usv的距离；ractive表示激活圆的半径。

激活圆如图4所示，是以虚拟usv所在位置为圆心，ractive为半径的圆，且一般ractive可取20～30米。当usv进入激活圆，表明usv的回收航行机动已经就位，可以激活原地待机的uuv进行回收航行机动。

步骤七：usv保持当前航向和航速航行，并通过无线电向uuv发送激活指令：

步骤八：uuv接收激活指令后，按一定的运动规律解算虚拟uuv的位置，并开始跟踪虚拟uuv；uuv的航向指令和速度指令由式(9)和式(10)解算：

uuuv_cmd(t)＝uuuv_max·ρusv(t)·ρuuv(t)(10)

式中，ψuuv_cmd(t)表示uuv的指令航向；表示虚拟uuv的位置点坐标，通过解算得到；uuuv_cmd(t)表示uuv的指令航速；uuuv_max表示uuv的最大航行速度，是恒定值；ρusv(t)表示与usv相关的衰减系数；ρuuv(t)表示与uuv相关的衰减系数。两个衰减系数的解算方法如式(11)和式(12)所示：

式中：称为虚拟usv调节量，一般可取1-20；称为虚拟uuv调节量，一般也可取1-20；

uuv跟踪虚拟uuv的示意如图5所示。虚拟uuv的运动与usv的位置、usv的航向以及usv上对接机构的位置有关，并按照尾随usv的航行轨迹进行运动。uuv则以式(11)和式(12)为指令保持对虚拟uuv的跟踪。虚拟uuv各时刻的位置解算方法由式(13)给出：

式中，pv_uuv(t)表示虚拟uuv的位置点，且有称为对接点，表示usv上释放出对接机构后对接机构的位置点，随usv的运动而运动。称为虚拟uuv运动参考量；ψusv(t)表示usv的实际航向角，可通过uuv上的罗经传感器测量得到。

usv上对接点和虚拟uuv的位置关系示意如图6所示。由图可以看出，pd(t)和pv_uuv(t)都是随usv运动。图中ld是usv的重心到对接点pd(t)的长度，而pd(t)和pv_uuv(t)之间的距离即为

那么，从图6可知，pd(t)由式(14)解算得到：

由式(15)更新得到：

式中，uuuv(t)表示uuv的实际航行速度，可通过uuv上的dvl(多普勒测速仪)测量得到，pusv(t)为usv当前的位置；通过usv上搭载的gps测得，usv将当前位置信息发送给uuv。

步骤九：uuv判断是否进入对接圆，如果没有进入对接圆转步骤八五，否则转步骤十；判断进入对接圆的方法如式(16)所示：

式中，duuvtov_uuv(t)表示uuv到虚拟uuv的距离；rdocking表示激活圆的半径。

对接如图5所示，是以虚拟uuv所在位置为圆心，rdocking为半径的圆，且一般rdocking可取5～10米。当uuv进入对接圆，表明uuv的回收航行机动已经就位，可以进行最后的对接动作。

步骤十：uuv释放对接机构，同时通过无线电通知usv释放对接结构。步骤十一：uuv与usv通过对接机构进行对接，回收完成。