李 杰, 馬徐琨

遠程投送水下航行器自主航行安全性策略設計方法

李 杰, 馬徐琨

(昆明船舶設備研究試驗中心, 云南 昆明, 650051)

遠程投送水下航行器因其航程較遠, 加之復雜海底深度突變、島礁等障礙物阻礙以及導航精度偏差等因素, 可能存在碰撞、觸底等自主航行風險, 迫切需要開展自主航行安全性策略設計研究?，F(xiàn)有的研究成果需要的傳感器信息較多、通用性不強、算法相對復雜, 無法滿足測試信息較少的遠程投送水下航行器自主導航要求。文中提出了一種基于作圖法的航路再規(guī)劃方法, 以及基于航行深度控制數(shù)學模型的航行深度控制設計方法, 在保證安全性的前提下, 以最短路徑和深度控制相對穩(wěn)定為設計準則, 分析了平坦的常規(guī)水深(含深水)、淺水深度控制以及深度突變情況下航行深度控制, 并給出了控制流程。通過仿真數(shù)據(jù)分析, 驗證了該方法的可行性。該方法是一種簡便、通用的遠程投放水下航行器自主航行安全性策略設計方法, 可滿足大部分情況下的航行安全性要求。

水下航行器; 遠程投送; 自主航行; 安全性策略

0 引言

遠程投送水下航行器是指攜載了有效載荷, 并可將其投送至指定區(qū)域(可達上百公里遠)的水下航行器(例如布雷系統(tǒng)等)。得益于能源動力和自主導航技術(shù)的飛速發(fā)展, 遠程投送水下航行器因其航程遠、導航精度高和隱蔽性強等優(yōu)勢, 已廣泛應用于軍事和民用領域。為保持其隱蔽性, 遠程投送水下航行器在大多數(shù)情形下, 都是依靠預先規(guī)劃航路、自主航行解算、自主避碰和自主深度控制, 結(jié)合有限次的有源校準等技術(shù)手段, 來確保其承擔任務期間的航行安全性。由于其航程較遠, 加之復雜海底深度突變、島礁等障礙物以及導航精度偏差等因素, 給遠程投送水下航行器的自主航行帶來了較大的航行風險, 甚至可能造成觸底、跳水等不可挽回的損失。因此, 對遠程投送水下航行器開展自主航行安全性策略設計研究勢在必行。

國內(nèi)學者開展了一些相關研究工作:

1) 在航行深度安全性方面, 形成了基于改進粒子群算法的無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)近海底航行安全深度計算方法[1]、自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)近水面的預測控制策略研究[2]、UUV地形跟蹤安全性評估及航行模式切換控制方法[3]等研究成果。這些研究大多基于傳感器信息及航行器自身的控制能力, 開展其在執(zhí)行特殊任務(如偵察、探測等)時的深度控制算法研究。

2) 在規(guī)避障礙物的路徑規(guī)劃方面, 形成了基于避碰聲吶的遠程魚雷水下自主避碰規(guī)避算法研究[4]、人工勢場和蟻群算法相結(jié)合的復雜環(huán)境下AUV路徑規(guī)劃方法研究[5]、無人艇自動避碰策略的研究[6]、基于信息融合的無人水面艇避碰控制研究[7]、無人水下航行器群體協(xié)同作業(yè)多任務自主規(guī)劃方法研究[8]、基于變步長改進算法的智能水下機器人路徑規(guī)劃技術(shù)研究[9]、面向UUV航行威脅的自主感知與決策方法研究[10]、基于分層遺傳算法的UUV避碰研究[11]等研究成果。這些研究大多基于傳感器信息及航行器自身的控制能力, 開展特殊環(huán)境下的路徑精細控制算法研究。

對于遠程投送水下航行器而言, 其與執(zhí)行地形偵查或探測等任務的水下航行器的控制要求有非常大的差異, 其主要目的是將有效載荷安全送至指定區(qū)域, 因此, 在水深變化較大時保持其在安全深度航行, 并在因?qū)Ш骄绕疃x預定航路情況下, 規(guī)避島礁等已知障礙物, 是其自主航行安全性策略設計的重點。這里所說的安全深度, 是考慮了海況、海流、深度傳感器/多普勒速度儀等傳感器精度及航行器自身控制品質(zhì)等因素下, 能夠保證航行器不觸底、不跳水的深度。

現(xiàn)有的研究成果, 一是需要較多的傳感器信息, 如避碰聲吶等, 而遠程投送水下航行器可能沒有安裝此類傳感器, 無法獲取支撐信息; 二是由于遠程投送水下航行器的任務特殊性, 只需保證航行安全性和穩(wěn)定性, 因此針對惡劣環(huán)境(近海面和近海底)的精細控制算法情況基本不會出現(xiàn); 三是相關算法考慮了航行器自身的控制能力, 僅適用于特定類型的航行器, 無法通用; 四是算法相對復雜, 硬件開銷較大, 特別是對遠程長航時的水下航行器而言。

針對遠程投送水下航行器的航行安全, 基于導航精度偏差、島礁等已知障礙、航行深度(深度傳感器)和探底高度(多普勒速度儀)等信息, 文中側(cè)重從通用的自主航行安全性策略設計角度, 探討航路再規(guī)劃和航行深度控制等技術(shù)。

1 航路再規(guī)劃設計

圖1 航路再規(guī)劃示意圖

航路再規(guī)劃方法步驟如圖2流程圖所示。

圖2 航路再規(guī)劃方法流程圖

2 航行深度控制設計

航行過程中的深度控制是自主航行安全性的另一主要研究內(nèi)容, 特別是在復雜海域深度突變或淺水區(qū)域, 顯得尤為重要。

這里所說的安全深度, 是考慮了海況、海流、深度傳感器/多普勒速度儀等傳感器精度及航行體自身控制品質(zhì)等因素下, 能夠保證航行體不觸底、不跳水的深度。

航行深度控制的原則: 一是不能過深(觸底); 二是不能過淺(跳水); 三是保證航行穩(wěn)定性(變深不能太頻繁)。用航行深度控制數(shù)學模型(以下簡稱數(shù)學模型)描述為

目標函數(shù)

約束條件 (1)

遠程投送水下航行器, 由于其航程較遠, 加之復雜海底深度突變, 可能遇到平坦的常規(guī)水深(含深水)、淺水和深度突變, 下面針對這3種情況依據(jù)數(shù)學模型開展航行深度控制研究。

2.1 平坦的常規(guī)水深(含深水)航行深度控制

平坦的常規(guī)水深航行深度控制模式分為2種情況。

正常情況下, 上述2種情況通過一次調(diào)整航行深度, 都可以滿足安全航行深度和探底高度要求, 在確保安全的同時, 避免了多次變深, 保證了航行穩(wěn)定性, 可滿足數(shù)學模型的要求。

2.2 平坦的淺水航行深度控制

2.3 深度突變航行深度控制

深度突變分為深度急劇變深和急劇變淺。其中急劇變深即深度加大的情況, 按照2.1和2.2節(jié)航行深度控制方式即可, 不會對自主航行造成安全風險。而深度急劇變淺, 如果水下航行器航行深度控制不及時的話, 可能造成觸底風險, 因此, 需要研究深度急劇變淺情況下的航行深度控制。

圖3 深度急劇變淺下的航行深度控制示意圖

值得一提的是, 因為深度突變的判斷只與本次和上個探測周期有關, 且航行深度控制策略只影響下個周期, 此后又會重新進行判斷, 即深度突變航行深度控制策略具有馬爾科夫性(無后效性), 因此針對深度變深再變淺、深度變淺再變深的情況都可適用。

2.4 航行深度控制流程

3 仿真驗證

為了驗證航行深度控制設計的安全性, 仿真了一組水深變化數(shù)據(jù)(以探測周期為單位), 如表1所示, 圖5為在該組海底水深變化數(shù)據(jù)下, 按照航行深度控制設計的水下航行器自主變深效果。仿真結(jié)果表明, 水下航行器可滿足不同水深變化情況下的航行安全要求, 且深度變化不劇烈, 相對穩(wěn)定, 符合航行深度控制數(shù)學模型的要求。

圖4 航路再規(guī)劃驗證效果圖

表1 水深變化仿真數(shù)據(jù)

圖5 航行深度控制驗證曲線

4 結(jié)束語

文中在保證安全性的前提下, 以最短路徑和深度控制相對穩(wěn)定為設計準則, 提出了一種基于作圖法的航路再規(guī)劃方法, 以及基于航行深度控制數(shù)學模型的航行深度控制設計方法, 是一種簡便、通用的遠程投放水下航行器自主航行安全性設計策略。航路再規(guī)劃方法主要針對島礁等已知障礙物, 而綜合利用避碰聲吶等傳感器信息進行未知障礙物的航路再規(guī)劃方法設計將是下一步的研究方向。

[1] 嚴浙平, 鄧超, 趙玉飛, 等. 無人水下航行器近海底空間路徑規(guī)劃方法[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2014, 35(3): 307-312.Yan Zhe-ping, Deng Chao, Zhao Yu-fei, et al. Path Planning Method for UUV Near Sea Bottom[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(3): 307-312.

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A Safety Strategy Design Method of Autonomous Navigation for Long-Range Delivered Undersea Vehicle

LI Jie, MA Xu-kun

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

For delivering undersea vehicle in along range, it is extremely necessary and urgent to research the safety strategy design method of autonomous navigation. The design methods in current researches cannot meet the requirements for autonomous navigation of long-range delivering undersea vehicle with small amount of testing data because they need more sensor information and have lower universality, and higher algorithms complexity. A route re-planning method based on the drawing method, as well as a mathematical model-based depth control design method, is proposed in this paper. On the premise of ensuring safety, the shortest path and steady depth control is taken as the criterion to analyze the depth control in the conditions of flat normal water depth(including deep water), shallow water, and sudden change of depth, and control flow is given. Simulation results verify that this method is simple and universal for safety strategy design of autonomous navigation for long-range delivered undersea vehicle, and it meets the navigation safety requirements for various circumstances.

undersea vehicle; long-range delivery; autonomous navigation; safety strategy

TJ630.33; U674.941

A

2096-3920(2019)04-0463-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.016

李杰, 馬徐琨. 遠程投送水下航行器自主航行安全性策略設計方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2019, 27(4): 463- 468.

2018-09-04;

2018-12-29.

李 杰(1982-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要研究方向為水下航行器試驗研究與評估技術(shù).

(責任編輯: 許 妍)