一种uuv抵近海底作业的定高航行系统及航行方法
【专利摘要】本发明公开了一种UUV抵近海底作业的定高航行系统及航行方法。包括左前探测声纳、右前探测声纳、深度计、测高声纳、障碍信息融合模块、避碰高度解算模块、高度指令生成模块、高度与深度指令转换模块、深度控制器、执行机构；将左前探测声纳探测到的障碍距离和右前探测声纳探测到的障碍距离，传送到障碍信息融合模块，得到最近障碍距离；避碰高度解算模块根据最近障碍距离，解算出避碰高度；高度指令生成模块根据期望高度和避碰高度相加得到高度指令，传送给高度与深度指令转换模块得到深度指令，传送给深度控制器；对UUV执行机构进行深度控制。本发明可以实现UUV抵近海底作业时兼顾避碰的定高航行，可使UUV获得良好的海底地形地貌。
【专利说明】—种UUV抵近海底作业的定高航行系统及航行方法
【技术领域】
[0001]本发明属于UUV定高航行领域，尤其涉及UUV在执行海底勘测任务时能够实现避开海底障碍同时保持与包括障碍在内的海底定高航行的，一种UUV抵近海底作业的定高航行系统及航行方法。
【背景技术】
[0002]当UUV执行海底地形、地貌勘测任务时，一般都要求UUV与海底保持一定的高度航行，以获得好的勘测效果。特别地，与海底保持的高度越近，勘测效果越好。目前，比较多的采用的是UUV地形跟踪作业方式，这是一种纯定高航行方式。以地形跟踪作业时，为了避免UUV与海底相撞，通常都使UUV距离海底的高度都比较大，目的是使海底的起伏均处于UUV的下方，这样UUV只需要单纯的保持对下方海底的一定高度航行，但是距离海底的高度较大也造成了地形跟踪作业对海底勘测的效果不理想的问题。因此，为了获得好的海底勘测效果，就必须要UUV进行抵近海底的定高航行作业。但是，由于海底地形起伏不定，UUV在抵近海底作业的过程中容易碰撞上突起的海底地形、海底山峰等障碍物，这就需要UUV必须具备对海底障碍的避碰能力。另外，海底障碍物也是海底地形、地貌的一部分，也是需要UUV进行勘测的，这就要求UUV在避开障碍物的同时不能有较大的高度变化，即也尽量的是UUV保持对海底障碍物的定高航行，以更有利于对海底障碍的勘测。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供能够避碰的同时定高航行的，一种UUV抵近海底作业的定高航行系统。本发明的目的还包括能够安全、稳定的进行定高航行的，一种UUV抵近海底作业的定高航行方法。
[0004]一种UUV抵近海底作业的定高航行系统，包括左前探测声纳、右前探测声纳、深度计、测高声纳、障碍信息融合模块、避碰高度解算模块、高度指令生成模块、高度与深度指令转换模块、深度控制器、执行机构；
[0005]左前探测声纳和右前探测声纳用于探测障碍距离，将左前探测声纳探测到的障碍距离IY和右前探测声纳探测到的障碍距离rK，传送到障碍信息融合模块；
[0006]测高声纳用于采集UUV的实际高度hK，传送给高度与深度指令转换模块；
[0007]深度计用于采集UUV的实际深度dK，分别传送给深度控制器和高度与深度指令转换模块；
[0008]障碍信息融合模块根据接收到的信息得到最近障碍距离A，传送给避碰高度解算模块；
[0009]避碰高度解算模块根据最近障碍距离解算出避碰高度Iv传送给高度指令生成模块；
[0010]高度指令生成模块根据期望高度hP和避碰高度h相加得到高度指令h。，传送给高度与深度指令转换模块；
[0011]高度与深度指令转换模块根据接收的高度指令h。、实际高度比和实际深度dK产生深度指令d。，传送给深度控制器；
[0012]深度控制器根据接收的深度指令d。和实际深度dK产生深度偏差，根据深度偏差产生控制指令，对UUV执行机构进行控制。
[0013]本发明一种UUV抵近海底作业的定高航行系统还可以包括:
[0014]1、左如探测声纳和右如探测声纳对称安装在UUV的腊部两侧，深度计和测闻声纳分别安装于UUV的腹部，测高声纳的波束方向为UUV的下方。
[0015]2、左前探测声纳和右前探测声纳的波束中心分别位于UUV的纵中剖面两侧并且分别与纵中剖面的夹角为15度，左前探测声纳和右前探测声纳的波束中心分别与水平面的夹角为45度。
[0016]一种UUV抵近海底作业的定高航行方法，包括以下几个步骤:
[0017]步骤一:左前探测声纳和右前探测声纳用于探测障碍距离，测高声纳用于采集UUV的实际高度hK，深度计用于采集UUV的实际深度dK，根据左前探测声纳探测到的障碍距离IY和右前探测声纳探测到的障碍距离rK，得到最近障碍距离^:
[0018]r0 = min (rL.cos α.cos β , rE.cos α.cos β )
[0019]其中，α表示每个探测声纳的波束中心与水平面的夹角，β表示每个探测声纳的波束中心与UUV纵中首I]面的夹角；
[0020]步骤二:根据最近障碍距离A解算出避碰高度&:
2
_] H0 =
[0022]其中，λ为避碰幅度因子，σ为响应距离因子；
[0023]步骤三:将期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令hc ；
[0024]步骤四:根据实际高度hK和实际深度dK，将高度指令h。转换为深度指令d。:
[0025]dc = hE+dE-hc ；
[0026]步骤五:深度控制器根据深度指令d。和实际深度dK得到深度偏差，利用PID控制算法，实现对UUV的运动控制。
[0027]一种UUV抵近海底作业的定高航行方法还包括:
[0028]避碰幅度因子λ取值范围为2?10,响应距离因子σ取值范围为20?40。
[0029]本发明的有益效果:
[0030]UUV抵近海底作业的定高航行与通常意义上的纯定高航行相比难度更大，它是一种兼顾了避碰的定高航行，在定高航行的过程中能够避开海底障碍，在进行避碰的过程中能够尽量保持定高。
[0031]可以实现UUV抵近海底作业时兼顾避碰的定高航行，可使UUV获得良好的包括海底障碍在内的海底地形地貌勘测的效果。
[0032]将UUV的定高航行转换为定深航行控制，避免了测高声纳因海底起伏测得的高度数据变化较大而引起的定高航行不稳定的现象。
[0033]采用单波束的探测声纳和测高声纳，传感器信息少、处理简单，实时性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1UUV抵近海底作业定高航行示意图；
[0035]图2-1UUV的传感器安装配置俯视示意图，
[0036]图2-2UUV的传感器安装配置侧视示意图；
[0037]图3UUV抵近海底作业定高航行系统结构图；
[0038]图4UUV避碰高度解算示意图；
[0039]图5UUV抵近海底作业的定高航行流程图；
[0040]图6UUV抵近海底作业定高航行效果图。
【具体实施方式】
[0041]下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0042]结合图1，UUV抵近海底作业定高航行描述如下:
[0043]定义UUV与海平面的距离d为UUV的深度，可通过UUV上配置的深度计实时测得；UUV与海底的距离h为UUV的高度，可通过UUV上配置的测高声纳实时测得。海深可用d+h表示。UUV与障碍物的距离用r表示，可通过UUV上配置的探测声纳实时测得。UUV抵近海底作业的过程中，需要始终与海底保持一定的高度h。如果探测到障碍物，UUV需要在垂直面避开障碍物，但在避开障碍物的同时，也需要UUV尽量与障碍物保持定高。
[0044]结合图2-1和图2-2，介绍UUV的传感器安装配置:
[0045]UUV的艏部安装两个用于障碍物探测的单波束声纳:左前探测声纳I和右前探测声纳2，两个声纳的最大探测距离均为150米。通过安装，使两个探测声纳的波束中心与UUV纵中剖面的夹角为15度，与水平面的夹角为45度。这样，两个声纳分别能够探测UUV左前下方和右前下方的障碍。
[0046]在UUV的腹部，安装有深度计3和测高声纳4。深度计3用来测得UUV的深度信息。测高声纳4也是单波束声纳，波束方向为UUV正下方的海底，用来测得UUV距海底的高度。
[0047]结合图3，介绍UUV抵近海底作业的定高航行系统:
[0048]包括左前探测声纳1、右前探测声纳2、深度计3、测高声纳4、障碍物信息融合模块、避碰高度解算模块、高度指令生成模块、高度与深度指令转换模块、深度控制器、执行机构；
[0049]UUV定高航行的期望高度为hP，左前探测声纳I探测到的障碍物的距离为ιγ，且彡150米；右前探测声纳2探测到的障碍物的距离为rK，且150米;
[0050]障碍信息融合模块，将左右前探测声纳探测到的障碍物的距离为ιγ和rK融合为UUV用于避碰的障碍距离，称为最近障碍距离，记为A:
[0051]r0 = min (rL.cos α.cos β , rE.cos α.cos β ) (I)
[0052]其中，α表示两个探测声纳的波束中心与水平面的夹角，为45度，β表示两个探测声纳的波束中心与UUV纵中剖面的夹角，为15度。min(.)表示取最小值运算。
[0053]避碰高度解算模块根据最近障碍距离4，计算出UUV在垂直面避开障碍物所需要的避碰高度&:
2
[0054]Ιι0=λ.β(2)
[0055]其中，λ为避碰幅度因子，决定了 UUV在垂直面绕过障碍物的最大幅度；σ为响应距离因子，决定了 UUV探测到多远距离的障碍物后开始避碰。λ和σ在初始化时设置，λ一般可取2?10 ; σ —般可取20?40。
[0056]高度指令生成模块根据期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。，传送给高度与深度指令转换模块。
[0057]高度与深度指令转换模块根据测高声纳4采集的UUV实际高度hK、深度计3采集的实际深度dK将高度指令h。转换为深度指令d。:
[0058]dc = hE+dE-hc (3)
[0059]将指令深度和实际深度相减得到深度偏差后由深度控制器控制UUV的深度。深度控制器采用PID控制器。
[0060]结合图4，介绍避碰高度解算示意图。
[0061]解算出UUV的避碰高度。可以知道，UUV探测到障碍物后在垂直面进行避碰的高度与障碍融合距离A，避碰幅度因子λ和响应距离因子σ有关。由于左前和右前探测声纳的最大探测距离均为150米，所以障碍融合距离&的最大取值为:150 Mosci.οο8β =150.cos45°.cosl5° ^ 100米。避碰幅度因子λ和响应速度因子σ可以根据需要设定。图4给出了三组参数情况下，障碍融合距离从O米到100米变化时解算出的UUV避碰高度k。第一组和第二组参数相比，σ均取25;但是λ分别取值为3和6。从图4中可以看出，两组参数最终解算出UUV响应障碍物的距离大约均为70米，但是解算出的避碰高度的最大幅度不同，一个为3米，一个为6米。也即，λ越大，UUV的避碰高度值也越大。第二组和第三组参数相比，λ均取6，但是σ分别取值为25和35。从图4中可以看出，由于避碰幅度因子相同，所以两组参数最终解算出的避碰高度的最大幅度相同，均为6米。但是，解算出的UUV响应障碍物的距离不同，σ = 25时响应距离约为70米，σ = 35时响应距离约为90米。也即，σ越大，UUV响应障碍物的距离也越大。
[0062]结合图5，UUV抵近海底作业的定高航行方法为:
[0063]1、初始化设定λ和σ ;
[0064]2、UUV接收抵近海底航行的期望高度指令h。；
[0065]3、左前探测声纳和右前探测声纳用于探测障碍距离，根据左前探测声纳探测到的障碍距离IY和右前探测声纳探测到的障碍距离rK，得到最近障碍距离^ ；
[0066]4、根据最近障碍距离A解算出避碰高度hQ ；
[0067]5、将期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。；根据实际高度hK和实际深度dK，将高度指令h。转换为深度指令d。；
[0068]6、深度控制器根据深度指令d。和实际深度dK得到深度偏差，利用PID控制算法，实现对UUV的运动控制；
[0069]7、判断任务是否完成，若完成，任务结束，否则转步骤3。
[0070]结合图6，呈现利用本发明的UUV抵近海底定高航行效果图。
[0071]图6中，设最大海深20米，设置一个坡型海底突起障碍,障碍距海底的最大高度为10米。UUV抵近海底定高航行的期望高度为3米。从图中可以看出，UUV不进行避障时，基本是与海底保持3米的高度定高航行。当UUV进行避障时，UUV在垂直面避开障碍，并且在避障的同时基本保持了定高3米航行。
【权利要求】
1.一种UUV抵近海底作业的定高航行系统，其特征在于:包括左前探测声纳、右前探测声纳、深度计、测高声纳、障碍信息融合模块、避碰高度解算模块、高度指令生成模块、高度与深度指令转换模块、深度控制器、执行机构； 左前探测声纳和右前探测声纳用于探测障碍距离，将左前探测声纳探测到的障碍距离 和右前探测声纳探测到的障碍距离rK，传送到障碍信息融合模块； 测高声纳用于采集UUV的实际高度hK，传送给高度与深度指令转换模块； 深度计用于采集UUV的实际深度dK，分别传送给深度控制器和高度与深度指令转换模块； 障碍信息融合模块根据接收到的信息得到最近障碍距离A，传送给避碰高度解算模块； 避碰高度解算模块根据最近障碍距离^解算出避碰高度Iv传送给高度指令生成模块； 高度指令生成模块根据期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。，传送给高度与深度指令转换模块； 高度与深度指令转换模块根据接收的高度指令h。、实际高度匕和实际深度(1,产生深度指令d。，传送给深度控制器； 深度控制器根据接收的深度指令d。和实际深度dK产生深度偏差，根据深度偏差产生控制指令，对UUV执行机构进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种UUV抵近海底作业的定高航行系统，其特征在于:所述的左前探测声纳和右前探测声纳对称安装在UUV的艏部两侧，深度计和测高声纳分别安装于UUV的腹部，测高声纳的波束方向为UUV的下方。
3.根据权利要求1或2所述的一种UUV抵近海底作业的定高航行系统，其特征在于:所述的左前探测声纳和右前探测声纳的波束中心分别位于UUV的纵中剖面两侧并且分别与纵中剖面的夹角为15度，左前探测声纳和右前探测声纳的波束中心分别与水平面的夹角为45度。
4.一种基于权利要求1所述的UUV抵近海底作业的定高航行系统的航行方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤一:左前探测声纳和右前探测声纳用于探测障碍距离，测高声纳用于采集UUV的实际高度比，深度计用于采集UUV的实际深度dK，根据左前探测声纳探测到的障碍距离和右前探测声纳探测到的障碍距离rK，得到最近障碍距离^:r0 = min (rL.cos α.cos β , rE.cos α.cos β ) 其中，α表示每个探测声纳的波束中心与水平面的夹角，β表示每个探测声纳的波束中心与UUV纵中剖面的夹角； 步骤二:根据最近障碍距离A解算出避碰高度&:
-rO
h0 = /l.e2。2 其中，λ为避碰幅度因子，σ为响应距离因子； 步骤三:将期望高度hP和避碰高度&相加得到高度指令h。； 步骤四:根据实际高度hK和实际深度dK，将高度指令h。转换为深度指令d。:
dc — hE+dR-hc ； 步骤五:深度控制器根据深度指令d。和实际深度dK得到深度偏差，利用PID控制算法，实现对UUV的运动控制。
5.根据权利要求4所述的一种UUV抵近海底作业的定高航行方法，其特征在于:所述的避碰幅度因子λ取值范围为2?10,响应距离因子σ取值范围为20?40。
【文档编号】G01S15/08GK104316932SQ201410619398
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】陈涛, 郝冰, 侯恕萍, 张耕实, 周佳加, 张宏瀚 申请人:哈尔滨工程大学