一种水下潜艇动态回收AUV过程中的安全性分析方法与流程

本发明涉及一种水下潜艇动态回收AUV过程中的安全性分析方法。

背景技术：

智能水下无人航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)作为高技术水下无人作战平台，在情报监视与侦察、反水雷、水下救援等领域发挥了重要作用，成为美国海军重点发展的新型装备。基于潜艇搭载的AUV在执行任务过程中不与潜艇进行信息交换，只有成功回收AUV，才能下载数据，完成指定任务。

回收过程中，为保证隐蔽性，潜艇会尽量减少通过声呐与AUV主动通讯，因此潜艇上的人员无法对AUV进行实时操控与干预；AUV在回收过程中会受到洋流或潮汐运动等环境扰动的影响，潜艇也会由于环境扰动、应急战术机动(紧急避碰)等情况带来状态的突然变化，这些因素会给交会对接中的AUV和潜艇带来碰撞等安全性风险。如果AUV在回收过程中与潜艇发生碰撞，产生的辐射噪声会增加浅海水域潜艇被探测到的风险，碰撞引起的设备损害同样威胁潜艇上人员的安全。因此，AUV能够安全、自主地与运动中的潜艇对接回收对于潜艇搭载AUV执行任务至关重要。

目前对于AUV回收过程中的安全性分析，局限于路径跟踪和避碰两种基本行为，将追踪航行器是否进入目标(或障碍物)安全区域作为轨迹安全的评价指标，或者采用碰撞概率描述二者之间的碰撞危险程度，对接近轨迹的安全性缺乏有效的量化分析，且假定AUV与回收装置之间通讯是理想状态的，不符合实际情况中水声通讯存在延迟和数据丢失情况，不能准确描述交会轨迹安全性。本发明针对交会对接不同阶段选择AUV交会对接安全性评价指标，将海流干扰、几何约束、信号延迟、无直接通信、欠驱动等隐患考虑到设计中，在此基础上定量分析交会安全性，系统、量化的设计了对接中的安全性分析方法，准确有效。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种水下潜艇动态回收AUV过程中的安全性分析方法。

本发明的目的是这样实现的：回收过程包括返航段、平面调整段和入坞段，给定已知的AUV在回收过程中各安全性评价指标的动态阈值的数据库，步骤如下：

步骤一、判断返航段是否安全：

通过超短基线得到AUV与潜艇的相对高度，对相对高度进行归一化处理并结合数据库进行判断：

(1)判断经归一化处理后得到的相对高度是否在0到1之间：若不在，则停止回收，准备重新进行新一次的回收；若在，则进行下一步；

(2)判断经归一化处理后得到的相对高度是否在0.05到0.95之间：若不在，则认为AUV在危险区内，调整AUV的螺旋桨转速、水平舵、垂直舵直使经归一化处理后得到的相对高度在0.05到0.95之间；若在，进行下一步；

(3)判断经归一化处理后得到的相对高度是否在0.2到0.8之间：若不在，则认为AUV在过渡区，调整AUV的螺旋桨转速、水平舵、垂直舵直使经归一化处理后得到的相对高度在0.2到0.8之间；若在，则AUV在返航段是安全的，准备进入平面调整段；

步骤二、判断平面调整段是否安全：

通过超短基线、摄像机和罗经得到AUV与潜艇之间的相对高度、相对速度以及AUV的艏向角，对相对高度、相对速度以及AUV的艏向角进行归一化处理并结合数据库进行判断：

(1)判断经归一化处理后得到的相对高度和AUV的艏向角是否在0到1之间：若在，则进行下一步；若否，则停止回收，准备重新进行新一次的回收；

(2)判断经归一化处理后得到的相对高度和AUV的艏向角是否在0.05到0.95之间：若经归一化处理后得到的相对高度和AUV的艏向角在0.05到0.95之间，进行下一步；若经归一化处理后得到的相对高度和AUV的艏向角不在0.05到0.95之间，则认为AUV在危险区内，继续判断经归一化处理后得到的相对速度是否在0.05到0.95之间：若经归一化处理后得到的相对速度在0.05到0.95之间，认定此时安全性较差但回收工作可继续进行并到下一步；若经归一化处理后得到的相对速度不在0.05到0.95之间，则停止回收，准备重新进行新一次的回收；

(3)判断经归一化处理后得到的相对高度和AUV的艏向角是否在0.2到0.8之间：若经归一化处理后得到的相对高度和AUV的艏向角不在0.2到0.8之间，则认为AUV在过渡区，继续判断经归一化处理后得到的相对速度是否在0到1之间：若经归一化处理后得到的相对速度不在0到1之间，则停止回收，准备重新进行新一次的回收；若经归一化处理后得到的相对速度在0到1之间，继续判断经归一化处理后得到的相对速度是否在0.05到0.95之间：若经归一化处理后得到的相对速度在0.05到0.95之间，则认定AUV是安全的，准备进入入坞段；若经归一化处理后得到的相对速度不在0.05到0.95之间则调整AUV的螺旋桨转速、水平舵、垂直舵直使经归一化处理后得到的相对速度在0.05到0.95之间；

若经归一化处理后得到的相对高度和AUV的艏向角在0.2到0.8之间，则认定AUV是安全的，准备进入入坞段；

步骤三、判断入坞段是否安全：

通过摄像机、多普勒测速仪和罗经得到AUV与潜艇之间的相对高度、相对速度、AUV的艏向角以及横向偏差，对相对高度、相对速度、AUV的艏向角以及横向偏差进行归一化处理并结合数据库进行判断：

(1)判断经归一化处理后得到的相对高度、AUV的艏向角、横向偏差是否在0到1之间：若在，则进行下一步；若否，则停止回收，准备重新进行新一次的回收；

(2)判断经归一化处理后得到的相对高度、AUV的艏向角、横向偏差是否在0.05到0.95之间：若经归一化处理后得到的相对高度、AUV的艏向角、横向偏差在0.05到0.95之间，进行下一步；若经归一化处理后得到的相对高度、AUV的艏向角、横向偏差不在0.05到0.95之间，则认为AUV在危险区内，继续判断经归一化处理后得到的相对速度是否在0.05到0.95之间：若经归一化处理后得到的相对速度在0.05到0.95之间，认定此时安全性较差但回收工作可继续进行并到下一步；若经归一化处理后得到的相对速度不在0.05到0.95之间，则停止回收，准备重新进行新一次的回收；

(3)判断经归一化处理后得到的相对高度、AUV的艏向角、横向偏差是否在0.2到0.8之间：若经归一化处理后得到的相对高度、AUV的艏向角、横向偏差不在0.2到0.8之间，则认为AUV在过渡区，继续判断经归一化处理后得到的相对速度是否在0到1之间：若经归一化处理后得到的相对速度不在0到1之间，则停止回收，准备重新进行新一次的回收；若经归一化处理后得到的相对速度在0到1之间，继续判断经归一化处理后得到的相对速度是否在0.05到0.95之间：若经归一化处理后得到的相对速度在0.05到0.95之间，则认定AUV是安全的，准备进入入坞段；若经归一化处理后得到的相对速度不在0.05到0.95之间则调整AUV的螺旋桨转速、水平舵、垂直舵直使经归一化处理后得到的相对速度在0.05到0.95之间；

若经归一化处理后得到的相对高度、AUV的艏向角、横向偏差在0.2到0.8之间，则认定回收符合安全性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明系统、量化的设计了动态回收安全性评价方法，实用有效。为通用的水下回收AUV安全标准的建立提供了基础，为回收中的规划任务提供了约束参数，有助于实现安全轨迹的规划。

首先将潜艇回收AUV的过程分为返航段、平面调整段和入坞段，针对不同阶段的特点选取相应的安全性评价指标阈值，并用归一化方法分析AUV安全性。根据选择的安全性评价指标，通过大量的操纵性仿真实验，确定AUV在回收过程中各安全性评价指标的动态阈值，形成数据库。通过AUV、潜艇和坞站所搭载的传感器获取对接过程中AUV当前时刻的状态信息以及AUV与潜艇\坞站之间的相对位置信息，将安全性评价指标与阈值数据库进行归一化分析，根据安全性判定结果决定AUV继续对接还是执行相应的安全性措施。

附图说明

图1是本发明安全性分析流程图；

图2是本发明安全判定流程图；

图3是本发明潜艇动态回收AUV方案示意图；

图4是本发明AUV与潜艇相对位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明的步骤如下：

(1)首先将潜艇回收AUV的过程分为返航段、平面调整段和入坞段，针对不同阶段的特点选取相应的安全性评价阈值，并用归一化方法分析AUV安全性。

(2)针对步骤(1)选择的安全性评价指标，通过大量的操纵性仿真实验，确定AUV在回收过程中各安全性评价指标的动态阈值，形成数据库。

(3)通过AUV、潜艇以及坞站所搭载的传感器获取对接过程中AUV当前时刻的状态信息以及AUV与潜艇\坞站之间的相对位置信息，选择步骤(1)中安全性评价指标与步骤(2)的阈值数据库进行对比，根据安全性评估结果决定AUV继续对接还是执行相应的安全性措施。

进一步的，在返航段使AUV与潜艇建立联系，AUV逐渐接近潜艇并到达潜艇后上方中纵剖面内，坞站中心线上方，使坞站中心线与AUV仅存在垂向偏差时进入平面调整段，AUV在USBL和光源引导下通过改变升降舵角调整垂向高度，使AUV进入坞站中心线且与潜艇相对速度为零时进入入坞段，使AUV在光学引导下沿着坞站中心线以较小的相对速度进入回收装置并锁紧，完成对接。

进一步的，返航段选取AUV与潜艇的垂向距离作为安全性评价指标，避免AUV进入潜艇尾部执行机构“禁飞区”；平面调整段选取AUV与潜艇的垂向距离、AUV艏向角和纵向速度作为安全性评价指标；入坞段选取AUV与坞站中心线的垂向偏差、横向偏差、以及AUV的艏向角和纵向速度作为安全性评价指标。

进一步的，通过AUV携带的DVL、USBL水听器、摄像机、深度计、罗经等，潜艇上布置的USBL信标、点光源，坞站上布置的光源等传感器获得AUV状态信息以及AUV与潜艇\坞站之间的相对位置信息，将安全性评价指标与仿真实验归一化阈值数据库进行对比。

进一步的，归一化参数是在安全评价上下阈值确定后，使用线性归一化方法将AUV当前的位置量、速度量归一化为可统一标准的量。对回收过程而言，首先应对照数据库中的安全性规则分析位置量的归一化参数，再分析速度量的归一化参数。基于对AUV速度和位置的全面分析，根据安全判定结果决定AUV下一步的动作。就位置量而言，当归一化参数小于0或大于1时，认为发生了碰撞或回收失败，定义为失败区；当归一化参数小于0.05或大于0.95时，认为存在危险，定义为危险区；当归一化参数小于0.2或大于0.8时，此时需要控制器有一定的响应，将其定义为过渡区；当归一化参数在0.2和0.8之间时，认为是安全的，不存在碰撞威胁。对于速度量，当归一化参数小于0或大于1时,认为此时处于危险速度内，若此时位置量的归一化参数在安全区间内，应当立即调整速度，否则，认为对接失败。当归一化参数小于0.05或大于0.95时，若此时位置量的归一化参数在安全区间内，此时认为速度量并不构成危险；若此时位置量的归一化参数在过渡区间内，此时认为速度量并不构成危险，但存在潜在的危险的可能，应将归一化速度参数控制在[0.05,0.95]区间内，若此时位置量的归一化参数在危险区间内，认为对接失败。当归一化参数在[0.05,0.95]区间内时，此时速速度量不作为关键考察点，认为速度在合理区间内。AUV的安全性主要由位置量决定。

综合考虑导引传感器作用距离和导引精度，选择声学导引和光视觉导引相结合的方式实现AUV与潜艇间的动态交会对接。声学导引传感器为USBL(作用距离：2000m，测距精度：2％斜距，目标方位测量精度：±2°)，光视觉导引传感器为水下摄像机(作用距离：0.5m-30m，定位精度：厘米级)。USBL负责中远距离导引，水下摄像机负责近距离导引。AUV上搭载有USBL水听器和水下摄像机，潜艇回收装置上搭载规则布置的点光(水下LED灯)源，同时在潜艇脊背上也规则布置点光源。为保证潜艇自身的隐蔽性，通常情况下只有AUV上的水听器会主动发声，潜艇上的信标只做应答响应。AUV根据导引传感器数据来判断二者之间的相对位置关系，通过相应的轨迹规划和跟踪控制最终实现AUV与潜艇的对接。

如图4所示，将回收过程分为返航段1、平面调整段2和入坞段3。在返航段1，潜艇围绕某一位置点做周期航行，等待AUV与之建立通信。AUV完成任务后在指定时间内航行至某一预定位置，并通过USBL向潜艇发送确认信息。如图4所示，AUV与潜艇建立联系后，在通过USBL获知的相对位置关系的引导下，AUV逐渐接近潜艇并到达潜艇后上方中纵剖面内，坞站中心线上方，使坞站中心线与AUV仅存在垂向偏差。如图2所示，此阶段内，将AUV与潜艇的相对高度h1根据数据库中的相对高度阈值进行归一化计算，即归一化相对高度在[0,1]区间内被认为是安全并且可以完成对接的，则继续执行任务并进入平面调整段；当归一化相对高度小于0.05时，认为有安全性风险，采取主动减速，水平舵操一定舵角升高AUV，当相对高度大于0.95时，此时虽无安全性风险，但AUV可能因海流等特殊原因偏离正常高度，因此认为AUV不能在期望时间内完成任务。

如图4所示，在平面调整段2，通过USBL获取AUV相对与坞站中心线的相对位置关系，调整AUV的水平舵舵角δs与主推转速n，使AUV的高度与坞站中心线一致，且AUV与潜艇的相对速度为零。在潜艇的背部设置有一系列导引光源，AUV通过USBL、摄像机和罗经获取与潜艇的相对高度、相对速度、与坞站中心线的横向偏差，如图2所示，根据数据库中的相对高度阈值进行归一化计算，即归一化相对高度在[0,1]区间内被认为是安全并且可以完成对接的，则继续执行任务。当归一化相对高度小于0.05时，减速并调整高度，当归一化相对高度大于0.95时，使AUV与潜艇相对速度为零并调整高度，此时当相对归一化速度小于0.05或大于0.95时，立即使AUV与潜艇相对速度为零并调整高度，否则认为对接失败。当归一化相对高度小于0.8且大于0.2时，认为处于安全区内；安全区与危险区之间是过渡区，在过渡区内，虽然碰撞的几率比较小，但当速度当相对归一化速度小于0.05或大于0.95时，仍存在一定的危险，则改变AUV航速避免危险，此时应当尽快调节速度。横向偏差同理。当所有安全性评价因素都在阈值范围内时则认为对接是安全，进入入坞段。

如图4所示，在入坞段3，此时AUV与潜艇及坞站4相对距离最小，危险因素最复杂，使AUV沿着坞站中心线以较小的相对速度进入坞站4并锁紧。通过AUV上的摄像机、DVL、罗经以及坞站4上布置的光源获得AUV与潜艇的相对高度和相对速度、与坞站中心线的横向偏差、AUV的艏向角，如图2所示，根据数据库中的相对高度阈值进行归一化计算，即并与数据库中的阈值进行对比，当归一化相对高度小于0.05或大于0.95时，认为存在危险，处于危险区；此时当相对归一化速度小于0.05或大于0.95时，立即使AUV与潜艇相对速度为零并调整高度，否则认为对接失败。当归一化相对高度小于0.8且大于0.2时，认为处于安全区内；安全区与危险区之间是过渡区，在过渡区内，虽然碰撞的几率比较小，但当速度当相对归一化速度小于0.05或大于0.95时，还是有AUV存在进入尾舵或围壳舵“禁飞区”的危险，则改变AUV航速避免危险，此时应当尽快调节速度；当横向偏差超出阈值时，使AUV与潜艇相对速度为零并通过方向舵调整横向位置，艏向角同理。当所有安全性评价因素都在阈值范围内时则认为对接是安全，完成整个回收过程。

结合图1，本发明将回收过程分为三个阶段，按先后顺序分别为返航段、平面调整段和入坞段。

(1)AUV任务完成之后首先进入返航段，通过USBL(超短基线)得到AUV与潜艇之间的相对位置信息，选择AUV与潜艇的相对高度，根据数据库中的相对高度阈值进行归一化计算，根据图2的安全判定流程进行判断，如果是安全的则继续执行对接直到进入平面调整段，如果不安全则通过改变控制器输出调整AUV的位姿，执行相应的安全性措施。

(2)AUV进入平面调整段，通过USBL、摄像机和罗经得到AUV与潜艇之间的相对位置信息以及AUV自身的状态信息，选择AUV与潜艇之间的相对高度、相对速度以及AUV的艏向角，根据数据库中对应的阈值进行归一化计算，根据图2的安全判定流程进行判断，如果是安全的则继续执行对接直到进入入坞段，如果不安全则通过改变控制器输出调整AUV的位姿，执行相应的安全性措施。

(3)AUV进入入坞段，通过摄像机、DVL(多普勒测速仪)和罗经得到AUV与潜艇之间的相对位置信息以及AUV自身的状态信息，选择AUV与坞站中心线之间的相对高度、横向偏差以及AUV的艏向角和相对速度，根据数据库中对应的阈值进行归一化计算，根据图2的安全判定流程进行判断，如果是安全的则继续执行对接直到进入入坞段，如果不安全则通过改变控制器输出调整AUV的位姿，执行相应的安全性措施。

若经过安全判定为不安全后，AUV通过改变螺旋桨的转速、水平舵和垂直舵的舵角来调整位姿，使AUV回到安全区或者重新执行对接。

对接的三个阶段安全判定流程相同，选择的安全性评价指标不同，使用的传感器和导引方式不同。

针对不同阶段的安全性评价指标，选择数据库中对应的阈值进行归一化，例如在返航段选择相对高度为安全性评价指标，则选择数据库中相对高度阈值进行归一化。

结合图2，本流程图是为了判断对接中各状态的安全性问题

我们考察AUV的位置和速度对安全性的影响。并认为位置量对安全性的影响是决定性的，在判断位置量安全的基础上，再对速度量作判断。

首先根据数据库中的阈值将测得的位置量和速度量做归一化处理，得到归一化位置参数和归一化速度参数。

首先，判断归一化位置参数是否在[0，1]之间，若否，则AUV在规定的阈值之外，认为对接失败。

否则，判断归一化位置参数是否在[0.05，0.95]之间，若否，则认为AUV在危险区内；再在危险区内判断归一化速度参数是否在[0.05，0.95]之间，若是，认为此时安全性较差但对接任务仍可继续进行，否则认为此时已十分危险，应停止此次对接。

若归一化位置参数是在[0.05，0.95]之内，则继续判断归一化位置参数是否在[0.2，0.8]之间，若否，则认为AUV在过渡区内，再判断归一化速度参数是否在[0，1]之间，若否，认为对接失败。若是，即AUV在过渡区内且归一化速度参数在[0，1]之间时，继续判断归一化速度参数是否在[0.05，0.95]之间，若是，则当前AUV是安全的；若否，调节速度直到归一化参数在[0.05，0.95]之间。

当归一化位置参数在[0.2，0.8]之间，即AUV在安全区内时，认为速度对安全性的影响较小。当归一化速度参数在[0，1]之间时，认为当前时刻安全，当归一化速度参数在[0，1]之外时，认为AUV处于危险速度内，应立即调整速度参数至[0，1]之间。

综上，本发明公开的是一种水下潜艇动态回收AUV过程中的安全性分析方法。针对潜艇在水下动态回收AUV时可能存在的危险因素，提出了一种交会对接过程中的安全性分析方法。首先将潜艇回收AUV的过程分为返航段、平面调整段和入坞段，针对不同阶段的特点选取相应的安全性评价指标；通过大量的操纵性仿真获得不同阶段相关安全性评价指标的阈值，归一化后形成数据库；通过AUV、潜艇和坞站所搭载的传感器获取对接过程中AUV当前时刻的状态信息，选取相应的安全性评价指标与阈值数据库进行对比，根据安全判定决定AUV继续对接还是执行相应的安全性措施。本发明充分考虑水下回收中存在的海流干扰、几何约束、信号延迟、无直接通信、欠驱动等问题，选择实用、有效的安全评价指标，制定安全评估方案及安全性措施，在保证回收成功率的前提下有效的分析安全性问题，避免发生危险。