趙朝聞，張　淞，李 輝

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118；2.武警后勤學(xué)院 建筑工程系，天津，300162）

基于超短基線的AUV自主對(duì)接流程及算法

趙朝聞1，張淞2，李 輝1

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118；2.武警后勤學(xué)院 建筑工程系，天津，300162）

自主式水下航行器（AUV）自身攜帶能源有限，需要在完成一段任務(wù)后自主航行至水下基站與其對(duì)接。文中分析了目前對(duì)接基站的現(xiàn)狀，針對(duì)包容式基站，在分析對(duì)接工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于超短基線信息的對(duì)接流程: 首先根據(jù)導(dǎo)引信息和到對(duì)接基站的距離不同，將 AUV自主對(duì)接分為遠(yuǎn)程、中程、近程和末程 4個(gè)階段；其次詳細(xì)分析了每個(gè)階段的工作特點(diǎn)、對(duì)接流程和控制算法；最后通過在 VS2008中的數(shù)學(xué)仿真和搭載AUV開展湖上試驗(yàn)，驗(yàn)證了對(duì)接流程和控制算法的可行性。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明，該AUV自主對(duì)接控制流程和算法穩(wěn)定可靠，具有良好的工程應(yīng)用前景。

自主式水下航行器（AUV）；對(duì)接流程；對(duì)接算法；超短基線（USBL）；水下基站

0　引言

自主式水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）作為人類搜索海洋的工具，在海洋工程領(lǐng)域的作用越來越重要，但是由于其自身攜帶能源有限，在完成一段任務(wù)后，需要回收至基站進(jìn)行數(shù)據(jù)回放、能源補(bǔ)充及任務(wù)更新。由于AUV的回收與再次布放需要相當(dāng)長的時(shí)間，同時(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家研究出了水下基站，由AUV自主航行與水下基站對(duì)接，以提高AUV的工作效率和水下作業(yè)時(shí)間，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)對(duì)接方式的不同，目前水下對(duì)接系統(tǒng)主要分為3類，分別是捕捉式對(duì)接、平臺(tái)式對(duì)接和包容式對(duì)接［1-4］（見圖 1）。捕捉式對(duì)接對(duì)航行器結(jié)構(gòu)要求比較高（需要安裝捕捉器），同時(shí)對(duì)航行器性能有影響；平臺(tái)式對(duì)接在回收過程中，由于AUV與回收平臺(tái)的幾何尺寸差異，AUV會(huì)受到回收平臺(tái)的干擾作用，干擾力受 AUV運(yùn)動(dòng)流場邊界的形狀、自身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、相對(duì)平臺(tái)方位和距離的影響，所以干擾力的復(fù)雜性對(duì) AUV影響較大；相對(duì)于捕捉式和平臺(tái)式對(duì)接，包容式對(duì)接方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)AUV改造較小，得到了較多應(yīng)用，其典型代表為 Woods Hole研究所的 REMUS AUV水下對(duì)接系統(tǒng)［1］。該系統(tǒng)采用漸縮型入口裝置導(dǎo)引 AUV進(jìn)入對(duì)接位置，并采用線性執(zhí)行器引導(dǎo)水密電連接器進(jìn)行拔插實(shí)現(xiàn)能源補(bǔ)充和數(shù)據(jù)傳輸。

國內(nèi)現(xiàn)有的某型水下基站采用包容式對(duì)接方式，在其圓柱段對(duì)接筒上安裝了超短基線（ultra-short baseline，USBL）接收與發(fā)射裝置（見圖2），通過接收AUV端發(fā)射的聲信號(hào)來計(jì)算AUV的位置信息。針對(duì)此，文中提出了一種基于超短基線信息的用于 AUV自主航行與水下基站對(duì)接的航行控制流程及算法。根據(jù)導(dǎo)引信息和到對(duì)接基站的距離不同，將自主對(duì)接分為遠(yuǎn)程、中程、近程和末程4個(gè)階段，并詳細(xì)研究了4個(gè)階段的對(duì)接流程和控制算法。通過在 VS2008中的數(shù)學(xué)仿真和搭載AUV開展湖上試驗(yàn)，驗(yàn)證了對(duì)接流程和控制算法的可行性。

1　系統(tǒng)工作原理

1.1對(duì)接算法的輸入信息

AUV要準(zhǔn)確地進(jìn)入對(duì)接基站，必須要知道基站的位置信息，對(duì)于包容式對(duì)接方式位置信息包含兩方面的內(nèi)容，一是基站的絕對(duì)位置信息，主要指基站的經(jīng)度、緯度、深度、高度及開口方向等，如圖 3（a）、（b）、（c）；二是基站的相對(duì)位置信息，主要指基站的相對(duì)水平方位角、水平距離、垂直方位角及垂直距離等。其中絕對(duì)位置信息可以通過設(shè)定的方式存儲(chǔ)在 AUV端，相對(duì)位置信息則需要在 AUV運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)解算，由于硬件性能限制，目前AUV不具備解算能力，需要由基站端解算相對(duì)位置信息后通過水聲通信的方式告知AUV，如圖3（d）所示。

圖1　3種水下對(duì)接方式Fig.1　Three modes of underwater abutting joint

圖2　帶USBL的包容式對(duì)接示意圖Fig.2　Schematic of subsumption abutting joint with ultra-short baseline

其中相關(guān)信息定義如下。

水平方位角: 以基站開口中心線為 180°，逆時(shí)針方向?yàn)檎?，順時(shí)針方向?yàn)樨?fù)，范圍為0 （不包括）到360° （包括）；

距離: AUV當(dāng)前經(jīng)緯度與基站經(jīng)緯度兩點(diǎn)間的空間距離；

垂直方位角: 以基站開口中心線為90°，向上為正，向下為負(fù)，范圍為0 （不包括）到180° （包括）。

基站的絕對(duì)位置信息在 AUV入水前，通過預(yù)設(shè)定的方式設(shè)定至AUV，并由AUV存儲(chǔ)待用。相對(duì)位置信息由對(duì)接基站根據(jù) AUV發(fā)射的聲脈沖信號(hào)計(jì)算。

圖3　對(duì)接基站位置關(guān)系圖Fig.3　Position relationship of abutting joint base station

1.2AUV與基站的USBL通信

AUV在到達(dá)基站位置附近后，通過 USBL與基站進(jìn)行5 s一次的周期性通信，由AUV端發(fā)射呼叫脈沖信號(hào)，基站端接收到該信號(hào)時(shí)，根據(jù)接收信號(hào)的換能器位置，計(jì)算出 AUV的水平方位角、垂直方位角，并以脈沖信號(hào)的方式向外輻射，AUV接收到輻射信號(hào)時(shí)，根據(jù)發(fā)射與接收的時(shí)間差及當(dāng)?shù)芈曀儆?jì)算距離，最后將水平方位角、垂直方位角、距離等信息打包發(fā)送至AUV任務(wù)管理系統(tǒng)［5-7］。

1.3AUV運(yùn)動(dòng)原理

AUV任務(wù)管理系統(tǒng)收到USBL信息后，通過一定的控制算法生成航行控制命令（水平面控制方式及垂直面控制方式）和動(dòng)力命令，并發(fā)送至AUV控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)，操控AUV運(yùn)動(dòng)。

文中研究的內(nèi)容就是任務(wù)管理系統(tǒng)根據(jù)USBL信息生成航行控制命令的流程和算法。

2　自主對(duì)接算法

2.1對(duì)接階段劃分

AUV完成前序任務(wù)，開始水下對(duì)接任務(wù)時(shí)，根據(jù)到對(duì)接基站的距離和對(duì)接輸入信息的不同，將AUV水下對(duì)接過程分為遠(yuǎn)、中、近、末4個(gè)階段: 第1階段為遠(yuǎn)程搜索階段，目的是尋找USBL信號(hào)、接收到有效的USBL信號(hào)修正導(dǎo)航信息；第2階段為中程尋點(diǎn)階段，目的是依據(jù)對(duì)接基站的絕對(duì)位置控制 AUV航行至基站開口方向的中心線上；第 3階段為近程導(dǎo)引階段，目的是依據(jù)對(duì)接基站的相對(duì)位置微調(diào)AUV姿態(tài)，使AUV沿基站開口方向前行；第 4階段為末程對(duì)接階段，目的是依據(jù)接駁裝置的定位信息，保持直航，直至對(duì)接完成或?qū)邮　?/p>

階段劃分示意如圖4所示，其中遠(yuǎn)程搜索階段為A點(diǎn)及A點(diǎn)至B點(diǎn)階段，距離約300 m；中程尋點(diǎn)階段為B點(diǎn)至E點(diǎn)，距離約300 m；近程導(dǎo)引階段為E點(diǎn)至F點(diǎn)，距離約180 m；末程對(duì)接階段為F點(diǎn)至基站，距離約20 m。

圖4　對(duì)接各階段示意圖Fig.4　Schematic of various phases in abutting joint process

2.2遠(yuǎn)程搜索算法

遠(yuǎn)程搜索的主要任務(wù)是 AUV完成前序任務(wù)后，自主航行至A點(diǎn)尋找USBL信號(hào)，由于AUV完全依靠自身慣導(dǎo)系統(tǒng)航行，完成前序任務(wù)后AUV的推算位置與實(shí)際位置存在一定的誤差，其算法流程如圖5所示。尋找A點(diǎn)時(shí)到達(dá)就位點(diǎn)A′（由于誤差引起的位置偏差點(diǎn)）。此時(shí)，若能接收到 USBL信號(hào)，則用 USBL信息修正慣導(dǎo)誤差；若不能接收到USBL信號(hào)，則在A點(diǎn)的北、西、南、東方向100 m處旋回航行搜索USBL信號(hào)，直至接收到USBL信號(hào)修正慣導(dǎo)誤差；若始終未接收到USBL信號(hào)，則認(rèn)為對(duì)接失敗。慣導(dǎo)誤差的修正算法為，已知對(duì)接基站的絕對(duì)位置 O′點(diǎn)經(jīng)緯度: Long_JZ，Lat_JZ；對(duì)接基站的安裝角度γ （正北為0°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，范圍0～360°）。

圖5　遠(yuǎn)程搜索階段算法流程圖Fig.5　Algorithm flow chart of long-range search phase

根據(jù)USBL信號(hào)計(jì)算，已知AUV相對(duì)對(duì)接基站的水平方位角α及AUV到對(duì)接基站的距離L。則，經(jīng)USBL修正后的AUV經(jīng)緯度為

圖6　中程尋點(diǎn)階段算法流程圖Fig.6　Algorithm flow chart of middle-range search phase

2.3中程尋點(diǎn)算法

AUV收到有效的 USBL信號(hào)后，對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行修正。在對(duì)接基站中心延長線500 m，400 m，300 m，200 m處分別設(shè)置4個(gè)航向調(diào)整點(diǎn)，由AUV自主計(jì)算航向調(diào)整點(diǎn)位置，并采用尋點(diǎn)控制方式依次經(jīng)過4個(gè)航向調(diào)整點(diǎn)，經(jīng)調(diào)整后航線與對(duì)接基站中心延長線平行，其算法流程如圖6所示。

2.4近程導(dǎo)引算法

AUV通過航向調(diào)整點(diǎn)后，航線與基站中心延長線基本平行，此時(shí) AUV采取雙平面控制方法，在垂直面采取定對(duì)底高度控制方法保證AUV與基站在同一水平面上；在水平面采用雙層控制結(jié)構(gòu)，外層控制保證 AUV在基站中心延長線附近航行，內(nèi)層控制保證AUV航向與基站中心延長線平行。

在近程導(dǎo)引階段，AUV按5 s一次的周期向基站獲取USBL相對(duì)位置信息，根據(jù)水平方位角做外層控制，當(dāng)α ＞180，左轉(zhuǎn) 180-α；當(dāng)α＜180，右轉(zhuǎn)α-180。同時(shí)根據(jù)接收次數(shù)做內(nèi)層控制，每收到3次USBL信息，做1次內(nèi)層控制，保持AUV航向?yàn)榛鹃_口方向減180°，如此循環(huán)。

2.5末程對(duì)接算法

當(dāng)AUV距離對(duì)接基站20 m時(shí)，不再對(duì)航行進(jìn)行調(diào)整，保持當(dāng)前航向直航，至距離對(duì)接基站5 m時(shí)動(dòng)力停車，靠近自身慣性進(jìn)入基站。若檢測(cè)到水平方位角小于 90°或大于 180°時(shí)，認(rèn)為對(duì)接失敗，重新回到A點(diǎn)再次開始對(duì)接流程。

3　仿真及試驗(yàn)結(jié)果

文中以某型水下自主航行器為背景，以AUV運(yùn)動(dòng)方程為控制模型，用VS2008軟件進(jìn)行了仿真，對(duì)提出的 AUV自主對(duì)接流程和控制算法進(jìn)行了模擬計(jì)算。

3.1遠(yuǎn)程及中程階段仿真

理想狀態(tài)下在對(duì)接基站中心延長線800 m處設(shè)置一個(gè)對(duì)接就位點(diǎn)，作為對(duì)接任務(wù)起點(diǎn)A，AUV結(jié)束前序任務(wù)后，到達(dá)A點(diǎn)。由于AUV導(dǎo)航信息誤差，當(dāng)AUV認(rèn)為到達(dá)對(duì)接任務(wù)起點(diǎn)A時(shí)，實(shí)際位置是 A′點(diǎn)在以 A 點(diǎn)為圓心，誤差距離為半徑（假設(shè)200 m）的圓內(nèi)散布，由于A′點(diǎn)在USBL作用距離外或AUV沒有正對(duì)基站，AUV無法收到USBL信號(hào)。此時(shí)AUV以3°/s右旋一周，試圖尋找USBL信號(hào)，若未找到則分別到A點(diǎn)以北100 m、西100 m、南100 m、東100 m處以3°/s右旋一周，若仍未找到USBL信號(hào)，則對(duì)接任務(wù)失敗，結(jié)束任務(wù)（如圖7所示）。

3.2近程導(dǎo)引試驗(yàn)

搭載某型自主式水下航行器開展了相關(guān)的湖試工作，對(duì)近程導(dǎo)引算法進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，對(duì)接基站端USBL由母船吊放入水下10 m，開口方向?yàn)闁|偏南2°，AUV在水下10 m深度航行，2 850 s后按文中提出的導(dǎo)引算法自主解算航行，考慮到AUV及基站的安全，在AUV距離基站300 m時(shí)強(qiáng)制結(jié)束導(dǎo)引階段，AUV轉(zhuǎn)向避讓基站，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖7　遠(yuǎn)程及中程仿真軌跡Fig.7　Simulation tracks of long-range and middle-range phases

圖8（a）表示AUV根據(jù)USBL信息計(jì)算的導(dǎo)引控制命令，可以看出控制命令是以每15 s進(jìn)行進(jìn)行1次內(nèi)層控制，即控制AUV向基站開口方向調(diào)整，基站開口方向?yàn)闁|偏南2°，AUV航向控制命令為88° （AUV航向以正北為0）。在每2次內(nèi)層之間有2次外層控制，即根據(jù)AUV偏離基站中心線的角度，見圖8（c），控制AUV向基站中心線運(yùn)動(dòng)，控制流程完全正確。

圖8（b）反映了AUV經(jīng)過調(diào)整后的實(shí)際航向?qū)崟r(shí)變化趨勢(shì): 2 850 s開始控制，2 910 s超調(diào)達(dá)到最大，到3 000 s時(shí)航向基本趨于穩(wěn)定，在88°附近。從圖8（a）和圖8（c）中也可以看出，3 000～3 150 s，AUV基本在基站中心線航行。3 150 s后，按照試驗(yàn)預(yù)案，AUV結(jié)束了近程導(dǎo)引階段，轉(zhuǎn)向航行。圖8（d）表示在整個(gè)導(dǎo)引過程中，AUV到對(duì)接基站的距離，可以看出AUV離基站越來越近，是符合試驗(yàn)預(yù)期的。

圖8　近程導(dǎo)引試驗(yàn)結(jié)果Fig.8　Experiment results of short-rang guidance

綜合圖8各圖，可以看出AUV按文中提出的近程導(dǎo)引流程和控制算法，水平方位角及實(shí)際航向偏差在1°以內(nèi)，考慮到對(duì)接基站是喇叭口形狀，是可以滿足對(duì)接使用要求的。

4　結(jié)束語

文章主要概述了 AUV水下對(duì)接中的流程和算法問題。根據(jù)對(duì)接要求，將對(duì)接階段分為遠(yuǎn)程、中程、近程和末程 4個(gè)階段，并分別介紹了各階段的流程和算法，進(jìn)行了仿真。

遠(yuǎn)程階段的任務(wù)是到達(dá)指定區(qū)域，AUV推算自身位置，獲取 USBL信息以修正慣導(dǎo)誤差，最終確定實(shí)際位置；中程階段是為輔助近程階段而設(shè)計(jì)的，需要完成對(duì)接前的路徑規(guī)劃，設(shè)置航向調(diào)整點(diǎn)對(duì) AUV進(jìn)行多次航向調(diào)整；近程階段AUV采取雙平面控制方法，對(duì)收到的USBL信號(hào)周期內(nèi)做3次外層控制，1次內(nèi)層控制；末程階段保持直航，若對(duì)接失敗則重復(fù)整個(gè)對(duì)接流程。

經(jīng)過仿真和實(shí)航驗(yàn)證，該對(duì)接流程能平穩(wěn)可靠地實(shí)現(xiàn)AUV的水下對(duì)接，可進(jìn)一步用于AUV的聯(lián)合海試。

［1］ 燕奎臣，吳利紅.AUV水下對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.機(jī)器人，2007，29（3）: 267-273.Yan Kui-chen，Wu Li-hong.A Survey on the Key Technologies for Underwater AUV Docking［J］.Robot，2007，29（3）: 267-273.

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［5］ 鄭翠娥.超短基線定位技術(shù)在水下潛器對(duì)接中的應(yīng)用研究［D］.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)，2008.

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（責(zé)任編輯: 許妍）

Autonomous Abutting Joint Flow and Control Algorithm for AUV Based on Ultra-short Baseline

ZHAO Chao-wen1，ZHANG Song2，LI Hui1
（1.Kunming Branch of the 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Kunming 650118，China；2.Department of Architectural Engineering，Logistics University of People′s Armed Police Force，Tianjin 300162，China）

Because of the energy carried by an autonomous underwater vehicle（AUV） is limited，the AUV has to autonomously navigate to underwater base station after finishing a task.This paper analyzes current situation of the underwater base station，especially analyzes the abutting joint principle of the subsumption station，and proposes an abutting joint flow based on ultra-short baseline.Firstly，according to different guidance information and the distance between AUV and abutting joint station，autonomous abutting joint process of an AUV is divided into four phases，i.e.long-range phase，middle-range phase，short-range phase and end-range phase.Secondly，characteristics，working flow and control algorithm of every autonomous abutting joint phase are analyzed in detail.Finally，these control algorithms are simulated via VS2008，and the AUV is tested in a lake.The results show that the proposed autonomous abutting joint flow and algorithm are feasible，and they may have a good prospect in engineering applications.

autonomous underwater vehicle（AUV）；abutting joint flow；abutting joint algorithm；ultra-short baseline （USBL）；underwater base station

TJ631.2；U674.941

A

1673-1948（2016）03-0166-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.002

2016-03-15；

2016-04-25.

趙朝聞（1992-），男，在讀碩士，主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程.