远程投送水下航行器自主航行安全性策略设计方法

李 杰, 马徐琨

远程投送水下航行器自主航行安全性策略设计方法

李 杰, 马徐琨

(昆明船舶设备研究试验中心, 云南 昆明, 650051)

远程投送水下航行器因其航程较远, 加之复杂海底深度突变、岛礁等障碍物阻碍以及导航精度偏差等因素, 可能存在碰撞、触底等自主航行风险, 迫切需要开展自主航行安全性策略设计研究。现有的研究成果需要的传感器信息较多、通用性不强、算法相对复杂, 无法满足测试信息较少的远程投送水下航行器自主导航要求。文中提出了一种基于作图法的航路再规划方法, 以及基于航行深度控制数学模型的航行深度控制设计方法, 在保证安全性的前提下, 以最短路径和深度控制相对稳定为设计准则, 分析了平坦的常规水深(含深水)、浅水深度控制以及深度突变情况下航行深度控制, 并给出了控制流程。通过仿真数据分析, 验证了该方法的可行性。该方法是一种简便、通用的远程投放水下航行器自主航行安全性策略设计方法, 可满足大部分情况下的航行安全性要求。

水下航行器; 远程投送; 自主航行; 安全性策略

0 引言

远程投送水下航行器是指携载了有效载荷, 并可将其投送至指定区域(可达上百公里远)的水下航行器(例如布雷系统等)。得益于能源动力和自主导航技术的飞速发展, 远程投送水下航行器因其航程远、导航精度高和隐蔽性强等优势, 已广泛应用于军事和民用领域。为保持其隐蔽性, 远程投送水下航行器在大多数情形下, 都是依靠预先规划航路、自主航行解算、自主避碰和自主深度控制, 结合有限次的有源校准等技术手段, 来确保其承担任务期间的航行安全性。由于其航程较远, 加之复杂海底深度突变、岛礁等障碍物以及导航精度偏差等因素, 给远程投送水下航行器的自主航行带来了较大的航行风险, 甚至可能造成触底、跳水等不可挽回的损失。因此, 对远程投送水下航行器开展自主航行安全性策略设计研究势在必行。

国内学者开展了一些相关研究工作:

1) 在航行深度安全性方面, 形成了基于改进粒子群算法的无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)近海底航行安全深度计算方法[1]、自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)近水面的预测控制策略研究[2]、UUV地形跟踪安全性评估及航行模式切换控制方法[3]等研究成果。这些研究大多基于传感器信息及航行器自身的控制能力, 开展其在执行特殊任务(如侦察、探测等)时的深度控制算法研究。

2) 在规避障碍物的路径规划方面, 形成了基于避碰声呐的远程鱼雷水下自主避碰规避算法研究[4]、人工势场和蚁群算法相结合的复杂环境下AUV路径规划方法研究[5]、无人艇自动避碰策略的研究[6]、基于信息融合的无人水面艇避碰控制研究[7]、无人水下航行器群体协同作业多任务自主规划方法研究[8]、基于变步长改进算法的智能水下机器人路径规划技术研究[9]、面向UUV航行威胁的自主感知与决策方法研究[10]、基于分层遗传算法的UUV避碰研究[11]等研究成果。这些研究大多基于传感器信息及航行器自身的控制能力, 开展特殊环境下的路径精细控制算法研究。

对于远程投送水下航行器而言, 其与执行地形侦查或探测等任务的水下航行器的控制要求有非常大的差异, 其主要目的是将有效载荷安全送至指定区域, 因此, 在水深变化较大时保持其在安全深度航行, 并在因导航精度偏差而偏离预定航路情况下, 规避岛礁等已知障碍物, 是其自主航行安全性策略设计的重点。这里所说的安全深度, 是考虑了海况、海流、深度传感器/多普勒速度仪等传感器精度及航行器自身控制品质等因素下, 能够保证航行器不触底、不跳水的深度。

现有的研究成果, 一是需要较多的传感器信息, 如避碰声呐等, 而远程投送水下航行器可能没有安装此类传感器, 无法获取支撑信息; 二是由于远程投送水下航行器的任务特殊性, 只需保证航行安全性和稳定性, 因此针对恶劣环境(近海面和近海底)的精细控制算法情况基本不会出现; 三是相关算法考虑了航行器自身的控制能力, 仅适用于特定类型的航行器, 无法通用; 四是算法相对复杂, 硬件开销较大, 特别是对远程长航时的水下航行器而言。

针对远程投送水下航行器的航行安全, 基于导航精度偏差、岛礁等已知障碍、航行深度(深度传感器)和探底高度(多普勒速度仪)等信息, 文中侧重从通用的自主航行安全性策略设计角度, 探讨航路再规划和航行深度控制等技术。

1 航路再规划设计

图1 航路再规划示意图

航路再规划方法步骤如图2流程图所示。

图2 航路再规划方法流程图

2 航行深度控制设计

航行过程中的深度控制是自主航行安全性的另一主要研究内容, 特别是在复杂海域深度突变或浅水区域, 显得尤为重要。

这里所说的安全深度, 是考虑了海况、海流、深度传感器/多普勒速度仪等传感器精度及航行体自身控制品质等因素下, 能够保证航行体不触底、不跳水的深度。

航行深度控制的原则: 一是不能过深(触底); 二是不能过浅(跳水); 三是保证航行稳定性(变深不能太频繁)。用航行深度控制数学模型(以下简称数学模型)描述为

目标函数

约束条件 (1)

远程投送水下航行器, 由于其航程较远, 加之复杂海底深度突变, 可能遇到平坦的常规水深(含深水)、浅水和深度突变, 下面针对这3种情况依据数学模型开展航行深度控制研究。

2.1 平坦的常规水深(含深水)航行深度控制

平坦的常规水深航行深度控制模式分为2种情况。

正常情况下, 上述2种情况通过一次调整航行深度, 都可以满足安全航行深度和探底高度要求, 在确保安全的同时, 避免了多次变深, 保证了航行稳定性, 可满足数学模型的要求。

2.2 平坦的浅水航行深度控制

2.3 深度突变航行深度控制

深度突变分为深度急剧变深和急剧变浅。其中急剧变深即深度加大的情况, 按照2.1和2.2节航行深度控制方式即可, 不会对自主航行造成安全风险。而深度急剧变浅, 如果水下航行器航行深度控制不及时的话, 可能造成触底风险, 因此, 需要研究深度急剧变浅情况下的航行深度控制。

图3 深度急剧变浅下的航行深度控制示意图

值得一提的是, 因为深度突变的判断只与本次和上个探测周期有关, 且航行深度控制策略只影响下个周期, 此后又会重新进行判断, 即深度突变航行深度控制策略具有马尔科夫性(无后效性), 因此针对深度变深再变浅、深度变浅再变深的情况都可适用。

2.4 航行深度控制流程

3 仿真验证

为了验证航行深度控制设计的安全性, 仿真了一组水深变化数据(以探测周期为单位), 如表1所示, 图5为在该组海底水深变化数据下, 按照航行深度控制设计的水下航行器自主变深效果。仿真结果表明, 水下航行器可满足不同水深变化情况下的航行安全要求, 且深度变化不剧烈, 相对稳定, 符合航行深度控制数学模型的要求。

图4 航路再规划验证效果图

表1 水深变化仿真数据

图5 航行深度控制验证曲线

4 结束语

文中在保证安全性的前提下, 以最短路径和深度控制相对稳定为设计准则, 提出了一种基于作图法的航路再规划方法, 以及基于航行深度控制数学模型的航行深度控制设计方法, 是一种简便、通用的远程投放水下航行器自主航行安全性设计策略。航路再规划方法主要针对岛礁等已知障碍物, 而综合利用避碰声呐等传感器信息进行未知障碍物的航路再规划方法设计将是下一步的研究方向。

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[3] 周易. UUV地形跟踪安全性评估及航行模式切换控制方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2016: 10-45.

[4] 胡纽, 董春凯, 王志强. 基于避碰声纳的远程鱼雷水下自主避障规避算法研究[J]. 船舶科学技术, 2016, 38(5): 116-120.Hu Niu, Dong Chun-kai, Wang Zhi-qiang. Study on the Algorithm of Remote Torpedo Underwater Autonomous Obstacle Avoiding Using the Collision Avoidance Sonar[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(5): 116-120.

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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, 马徐琨. 远程投送水下航行器自主航行安全性策略设计方法[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(4): 463- 468.

2018-09-04;

2018-12-29.

李 杰(1982-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为水下航行器试验研究与评估技术.

(责任编辑: 许 妍)