面向水下失事目标搜索的UUV编队规划方法研究

发布时间：2020-08-03 14:35

【摘要】：近年来,海洋失事频繁发生,如何利用现有的搜索设备开展较有效率的水下搜索工作成为一项亟待解决的问题。作为海洋力量倍增器的水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)被视为解决该问题的重要工具,尤其是随着UUV编队概念的提出及发展,更是为UUV参与在内的水下搜索工作提供了新思路。因此,本课题将针对UUV编队间的搜索任务规划展开研究,使其能够快速高效完成水下失事目标的搜索工作。在解决面向水下失事目标搜索的UUV编队任务规划问题时,首先根据搜索流程将其分为广域粗扫以及局部精搜两个阶段,并以此为基础开展了有关UUV编队广域目标搜索算法、UUV编队海底精细覆盖搜索算法等方面的研究。本文完成工作如下:首先,对UUV编队水下失事目标搜索问题进行分析,描述了搜索流程并制定了搜索方案,提出了面向黑匣子的广域搜索及面向残骸的精细搜索,利用黑匣子的发声特性进行广域搜索工作并由此确定核心搜索区域。对搜索相关要素进行数学建模,包括搜索区域模型、UUV编队体系结构及运动学模型、搜寻黑匣子信号的被动声呐模型、收集环境信息的前视声呐避障模型、用于覆盖成像的侧扫声呐模型以及编队间的通信模型。其次,对搜索流程中的广域搜索问题进行描述和需求分析,提出了基于改进生物启发算法的UUV编队广域搜索算法。在栅格法构建地图的基础上加入生物启发神经网络算法,该算法将神经元与栅格单元一一对应,将栅格单元的声呐信度函数赋值给神经元,根据神经元的输出活性值判断下一时刻的搜索点。此外,针对黑匣子的发声特性提出主、被动声呐同时工作的搜索思想,并针对该种搜索方式的特点提出了更具工程实用性的改进算法,使得UUV编队在执行任务的时候缩短搜索路径,减少拐弯次数,降低能量消耗,实现UUV编队在栅格地图中的快速黑匣子搜索,并根据搜索结果确定核心搜索阶段的任务区域,仿真结果表明了提出算法的有效性。然后,针对精细搜索阶段的区域覆盖问题提出了适用于分布式系统的分区覆盖搜索思想。将区域覆盖问题分为分区问题和覆盖问题进行研究,将搜索区域按照Voronoi分区原理进行初分配,并利用基于平衡原则的任务分配算法实现区域的再分配,实现每个UUV任务区域负载的均衡一致性。分区之后再利用基于改进栅格信度函数的覆盖路径规划算法,完成UUV编队在小范围区域内较高覆盖率的覆盖工作,且能保证UUV在陷入障碍物死区时较为快速地逃离死区。最后,基于Matlab的GUI设计,完成了UUV编队搜索水下失事目标的系统搭建。将本课题中所涉及的广域搜索及精细搜索进行封装集中,通过界面按键实现程序库中的相关函数的调用,进而完成UUV编队搜索的仿真过程。并针对不同搜索阶段设计不同的仿真案例,验证本文所做研究的有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941
【图文】：

航行器,公司

由于计算机技术的飞速发展以及海洋工程需求的快速增长，水下无人航行器得到了国内外工业界和科研单位的广泛关注[1]。水下无人航行器是运用高新技术研制的先进的海洋工程装备。尽管水下无人航行器发展历史不长，但其在民用和军事领域的应用正展现出广阔的发展场景。在军事方面，UUV 可同时具有侦测、围捕、搜集情报等多种功能。而民事上主要可用于搜索海洋环境、失事船只搜索、海底设备检修、海洋资源勘测等[2-3]。2017 年 11 月，阿根廷“圣胡安”号潜艇与海军失联，随后，美国 OceaInfinity 公司承包了“圣胡安”号潜艇的搜寻工作。本次搜索任务用了 5 个水下无人航行器对潜艇可能失事海域进行大范围扫测，在开展搜寻工作后的第 36 天，“圣胡安”号潜艇在水下 920 米深的水沟中被发现，图 1.1 为参与搜寻的 UUV。2014 年 4 月，马航MH370 客机失事后，美国的“Bluefin-21”UUV 也参与到了黑匣子的搜寻工作中，如图1.2 所示。UUV 之所以能够这么广泛地被用于水下搜索领域，很大一部分原因是因为水下环境的复杂性，复杂的水下环境限制了人工方法的搜索救援。因此，作为海洋新生力量且具有较高自主性的 UUV 的出现完美解决了上述问题。UUV 除具有体积小，执行任务灵活，成本低的显著优点之外，还具有较强的隐蔽性，这些性能使 UUV 在军事和民用上的地位日渐增加，也使 UUV 饱受国内外研究学者的青睐[4]。

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马航MH370 客机失事后，美国的“Bluefin-21”UUV 也参与到了黑匣子的搜寻工作中，如图1.2 所示。UUV 之所以能够这么广泛地被用于水下搜索领域，很大一部分原因是因为水下环境的复杂性，复杂的水下环境限制了人工方法的搜索救援。因此，作为海洋新生力量且具有较高自主性的 UUV 的出现完美解决了上述问题。UUV 除具有体积小，执行任务灵活，成本低的显著优点之外，还具有较强的隐蔽性，这些性能使 UUV 在军事和民用上的地位日渐增加，也使 UUV 饱受国内外研究学者的青睐[4]。图 1.1 Ocean Infinity 公司航行器图 1.2 “Bluefin-21”号航行器随着人类对海洋的探索和建设日渐扩大，单个 UUV 已经很难满足任务的需求。主要原因是单体航行器由于其体积的限制难以携带大容量电源以及多种类的负载设备，这使得单个 UUV 在广阔复杂的海洋环境中执行任务时具有工作时间短及工作效率低的问题。为了解决单体 UUV 的缺陷，水下无人航行器编队系统应运而生。编队系统具有空间分布，功能分布，时间分布等多种优点，这使得编队系统得到了科研人员的重视[5-8]。UUV 编队系统在执行任务时可以利用系统的分布式性质来实现编队间的并行工作，从而大大提高执行效率。编队系统还可以通过编队间的资源信息共享性弥补单体 UUV 的

示意图,海试,示意图

第 1 章绪论者在 UUV 编队系统领域开展了相应的研究[1的国内研究成果来看，目前大多数的 UUV 编，实际的应用领域也只能做一些基础的实验要领先一步，并且许多理论研究已经得到了实器编队方面研究较为先进的国家主要有美英编队作业系统。由美海军联合麻省理工等高校一次海上试验，并在 2003 年完成该项目的了下无人航行器的海洋水文信息搜索任务[24]。

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