理论教育 自主水下航行器导航与控制技术:国外发展现状

自主水下航行器导航与控制技术:国外发展现状

时间:2023-08-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:整个LTS包括在水下扮演潜水助手角色,能够与潜水员以及领航航行器协作的水下航行器和在水面提供导航监视协助和安全保障功能的水面舰艇。计算机辅助档案和数据供应项目已于2014年进行了初步的水下航行试验,对协同动作控制与协同导航进行了验证,未来的研究工作将着重于航行器同人类潜水员的协同工作以及整个协同系统的扩展。

自主水下航行器导航与控制技术:国外发展现状

如图1-9所示,欧盟于2006年组织了德国、意大利、葡萄牙、挪威、法国等国家联合开展了主题为“协作无人系统的协调和控制”(Coordination and Control of Cooperating Unmanned Systems)的“The European GREX Project”项目[7],研究核心是解决多AUV的协同导航及编队控制、通信等问题。GREX是拉丁语,意为群体和团队。该项目组对外公开的主要任务是基于多个异构无人水下航行器的协作完成海底地图测绘,始于2006年,结题于2009年。2008年夏季和2009年11月的两次海试成功完成了多AUV协作下的海洋环境绘图任务,验证了通过水声通信实现多AUV的协同导航和控制。

图1-9 欧盟GREX项目

美国的“自主海洋采样网络”(Autonomous Ocean Sampling Network,AOSN)项目,是多AUV系统用于科学考察的最典型案例,如图1-10所示。

图1-10 2003年蒙特利湾“AOSNⅡ”试验示意图

“ASONⅠ”项目作为最有影响的多AUV系统的基础应用研究,由美国麻省理工海洋实验室、伍兹霍尔海洋研究所、华盛顿大学应用物理实验室等多家研究机构共同参与完成。

“AOSNⅡ”项目由美国蒙特利湾海洋研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute,MBARI)领导,美国海洋研究局资助。该项目的目的是对一个大范围的海洋空间进行长时间的数据收集,预测海洋的物理特性,利用多个AUV搭载不同类型的传感器,在同一时刻测量不同区域或不同深度下的海洋参数,并采取适当的控制策略使得网络中的每个AUV成员能够在最重要区域进行信息收集。

图1-11为美国新泽西大陆架观测系统(New Jersey Shelf Observing System)。在该系统中,水面雷达、水下滑翔AUV(史洛坎滑翔机)、空中飞机及卫星组成了多节点的观测系统。在该系统长达四年的运行中,作为整个系统关键组成部分的多个AUV自主进行海洋采样、勘探、调查工作,在近海海域生态评估、物理化学要素分析等方面发挥了不可替代的作用。

图1-11 美国新泽西大陆架观测系统(www.daowen.com)

美国麻省理工海洋实验室一直从事AUV的技术研究,并于2006年公开了其“自主协同的分散侦察与探测系统”[cooperative autonomy for distributed reconnaissance and exploration(CADRE)system][8]。该系统受美国海军研究生院资助,并于2004年完成了湖上试验。

CADRE系统的核心在于其利用了三种无人平台进行协同导航与控制,共同完成侦察与探测任务,如图1-12所示。该系统所利用的三类AUV分别为:

图1-12 麻省理工学院的CADRE系统

①基于Bluefin-12的搜索/分类/绘图(search-classify-map,SCM)AUV;

②基于Bluefin-9和Bluefin-12的获取/辨别(reacquire-identify,RI)AUV;

③基于Bluefin-21和ASV的通信和导航辅助(communications and navigation aid,C/NA)AUV。

其中,SCM AUV和RI AUV装备低成本、低精度的导航系统和水声通信定位系统,C/NA AUV装备高精度的导航系统和通信系统,由C/NA AUV负责水下通信中继和辅助导航。在执行任务过程中,SCM AUV和RI AUV在C/NA AUV辅助下利用移动长基线定位方法实现精确定位,SCM AUV在前方进行侦察,探测到可疑目标后,报告给C/NA AUV,并由C/NA AUV进一步分析和处理,做出决策,再将目标信息告知RI AUV,最后由RI AUV处理可疑目标;若遇到水雷,当前方编队距离足够远时,可引爆水雷,在保证安全的前提下降低成本。

欧盟第七科技框架计划(FP7)开展了对AUV的技术研究,并于2014年开展了“自主认知潜水协同作业”(Cognitive Autonomous diving Buddy)项目。该项目的目标是开发能够帮助或者协同人类潜水者在危险水区内进行科研、考古或者商业探索活动时完成高效率作业的水下航行器领航跟踪系统(leader tracking system,LTS)。整个LTS包括在水下扮演潜水助手角色,能够与潜水员以及领航航行器协作的水下航行器和在水面提供导航监视协助和安全保障功能的水面舰艇。该系统中领航者的身份可以根据任务的需求在UUV和水面舰艇之间进行切换。计算机辅助档案和数据供应(computer aided dossier and data supply,CADDY)项目已于2014年进行了初步的水下航行试验,对协同动作控制与协同导航进行了验证,未来的研究工作将着重于航行器同人类潜水员的协同工作以及整个协同系统的扩展。图1-13所示为CADDY系统。

图1-13 欧盟的CADDY系统

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