基于超短基線的AUV自主對接流程及算法

趙朝聞，張　淞，李 輝

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

基于超短基線的AUV自主對接流程及算法

趙朝聞1，張淞2，李 輝1

（1.中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118；2.武警后勤學院 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后自主航行至水下基站與其對接。文中分析了目前對接基站的現狀，針對包容式基站，在分析對接工作原理的基礎上，提出了一種基于超短基線信息的對接流程: 首先根據導引信息和到對接基站的距離不同，將 AUV自主對接分為遠程、中程、近程和末程 4個階段；其次詳細分析了每個階段的工作特點、對接流程和控制算法；最后通過在 VS2008中的數學仿真和搭載AUV開展湖上試驗，驗證了對接流程和控制算法的可行性。仿真和試驗結果均表明，該AUV自主對接控制流程和算法穩定可靠，具有良好的工程應用前景。

自主式水下航行器（AUV）；對接流程；對接算法；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，在完成一段任務后，需要回收至基站進行數據回放、能源補充及任務更新。由于AUV的回收與再次布放需要相當長的時間，同時存在一定的風險，科學家研究出了水下基站，由AUV自主航行與水下基站對接，以提高AUV的工作效率和水下作業時間，同時降低風險。

根據對接方式的不同，目前水下對接系統主要分為3類，分別是捕捉式對接、平臺式對接和包容式對接［1-4］（見圖 1）。捕捉式對接對航行器結構要求比較高（需要安裝捕捉器），同時對航行器性能有影響；平臺式對接在回收過程中，由于AUV與回收平臺的幾何尺寸差異，AUV會受到回收平臺的干擾作用，干擾力受 AUV運動流場邊界的形狀、自身運動姿態、相對平臺方位和距離的影響，所以干擾力的復雜性對 AUV影響較大；相對于捕捉式和平臺式對接，包容式對接方式系統結構簡單、對AUV改造較小，得到了較多應用，其典型代表為 Woods Hole研究所的 REMUS AUV水下對接系統［1］。該系統采用漸縮型入口裝置導引 AUV進入對接位置，并采用線性執行器引導水密電連接器進行拔插實現能源補充和數據傳輸。

國內現有的某型水下基站采用包容式對接方式，在其圓柱段對接筒上安裝了超短基線（ultra-short baseline，USBL）接收與發射裝置（見圖2），通過接收AUV端發射的聲信號來計算AUV的位置信息。針對此，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接的航行控制流程及算法。根據導引信息和到對接基站的距離不同，將自主對接分為遠程、中程、近程和末程4個階段，并詳細研究了4個階段的對接流程和控制算法。通過在 VS2008中的數學仿真和搭載AUV開展湖上試驗，驗證了對接流程和控制算法的可行性。

1　系統工作原理

1.1對接算法的輸入信息

AUV要準確地進入對接基站，必須要知道基站的位置信息，對于包容式對接方式位置信息包含兩方面的內容，一是基站的絕對位置信息，主要指基站的經度、緯度、深度、高度及開口方向等，如圖 3（a）、（b）、（c）；二是基站的相對位置信息，主要指基站的相對水平方位角、水平距離、垂直方位角及垂直距離等。其中絕對位置信息可以通過設定的方式存儲在 AUV端，相對位置信息則需要在 AUV運動過程中實時解算，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種水下對接方式Fig.1　Three modes of underwater abutting joint

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

其中相關信息定義如下。

水平方位角: 以基站開口中心線為 180°，逆時針方向為正，順時針方向為負，范圍為0 （不包括）到360° （包括）；

距離: AUV當前經緯度與基站經緯度兩點間的空間距離；

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

基站的絕對位置信息在 AUV入水前，通過預設定的方式設定至AUV，并由AUV存儲待用。相對位置信息由對接基站根據 AUV發射的聲脈沖信號計算。

圖3　對接基站位置關系圖Fig.3　Position relationship of abutting joint base station

1.2AUV與基站的USBL通信

AUV在到達基站位置附近后，通過 USBL與基站進行5 s一次的周期性通信，由AUV端發射呼叫脈沖信號，基站端接收到該信號時，根據接收信號的換能器位置，計算出 AUV的水平方位角、垂直方位角，并以脈沖信號的方式向外輻射，AUV接收到輻射信號時，根據發射與接收的時間差及當地聲速計算距離，最后將水平方位角、垂直方位角、距離等信息打包發送至AUV任務管理系統［5-7］。

1.3AUV運動原理

AUV任務管理系統收到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）和動力命令，并發送至AUV控制系統和動力系統，操控AUV運動。

文中研究的內容就是任務管理系統根據USBL信息生成航行控制命令的流程和算法。

2　自主對接算法

2.1對接階段劃分

AUV完成前序任務，開始水下對接任務時，根據到對接基站的距離和對接輸入信息的不同，將AUV水下對接過程分為遠、中、近、末4個階段: 第1階段為遠程搜索階段，目的是尋找USBL信號、接收到有效的USBL信號修正導航信息；第2階段為中程尋點階段，目的是依據對接基站的絕對位置控制 AUV航行至基站開口方向的中心線上；第 3階段為近程導引階段，目的是依據對接基站的相對位置微調AUV姿態，使AUV沿基站開口方向前行；第 4階段為末程對接階段，目的是依據接駁裝置的定位信息，保持直航，直至對接完成或對接失敗。

階段劃分示意如圖4所示，其中遠程搜索階段為A點及A點至B點階段，距離約300 m；中程尋點階段為B點至E點，距離約300 m；近程導引階段為E點至F點，距離約180 m；末程對接階段為F點至基站，距離約20 m。

圖4　對接各階段示意圖Fig.4　Schematic of various phases in abutting joint process

2.2遠程搜索算法

遠程搜索的主要任務是 AUV完成前序任務后，自主航行至A點尋找USBL信號，由于AUV完全依靠自身慣導系統航行，完成前序任務后AUV的推算位置與實際位置存在一定的誤差，其算法流程如圖5所示。尋找A點時到達就位點A′（由于誤差引起的位置偏差點）。此時，若能接收到 USBL信號，則用 USBL信息修正慣導誤差；若不能接收到USBL信號，則在A點的北、西、南、東方向100 m處旋回航行搜索USBL信號，直至接收到USBL信號修正慣導誤差；若始終未接收到USBL信號，則認為對接失敗。慣導誤差的修正算法為，已知對接基站的絕對位置 O′點經緯度: Long_JZ，Lat_JZ；對接基站的安裝角度γ （正北為0°，逆時針旋轉為正，范圍0～360°）。

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

根據USBL信號計算，已知AUV相對對接基站的水平方位角α及AUV到對接基站的距離L。則，經USBL修正后的AUV經緯度為

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

2.3中程尋點算法

AUV收到有效的 USBL信號后，對導航信息進行修正。在對接基站中心延長線500 m，400 m，300 m，200 m處分別設置4個航向調整點，由AUV自主計算航向調整點位置，并采用尋點控制方式依次經過4個航向調整點，經調整后航線與對接基站中心延長線平行，其算法流程如圖6所示。

2.4近程導引算法

AUV通過航向調整點后，航線與基站中心延長線基本平行，此時 AUV采取雙平面控制方法，在垂直面采取定對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構，外層控制保證 AUV在基站中心延長線附近航行，內層控制保證AUV航向與基站中心延長線平行。

在近程導引階段，AUV按5 s一次的周期向基站獲取USBL相對位置信息，根據水平方位角做外層控制，當α ＞180，左轉 180-α；當α＜180，右轉α-180。同時根據接收次數做內層控制，每收到3次USBL信息，做1次內層控制，保持AUV航向為基站開口方向減180°，如此循環。

2.5末程對接算法

當AUV距離對接基站20 m時，不再對航行進行調整，保持當前航向直航，至距離對接基站5 m時動力停車，靠近自身慣性進入基站。若檢測到水平方位角小于 90°或大于 180°時，認為對接失敗，重新回到A點再次開始對接流程。

3　仿真及試驗結果

文中以某型水下自主航行器為背景，以AUV運動方程為控制模型，用VS2008軟件進行了仿真，對提出的 AUV自主對接流程和控制算法進行了模擬計算。

3.1遠程及中程階段仿真

理想狀態下在對接基站中心延長線800 m處設置一個對接就位點，作為對接任務起點A，AUV結束前序任務后，到達A點。由于AUV導航信息誤差，當AUV認為到達對接任務起點A時，實際位置是 A′點在以 A 點為圓心，誤差距離為半徑（假設200 m）的圓內散布，由于A′點在USBL作用距離外或AUV沒有正對基站，AUV無法收到USBL信號。此時AUV以3°/s右旋一周，試圖尋找USBL信號，若未找到則分別到A點以北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，則對接任務失敗，結束任務（如圖7所示）。

3.2近程導引試驗

搭載某型自主式水下航行器開展了相關的湖試工作，對近程導引算法進行驗證試驗。試驗過程中，對接基站端USBL由母船吊放入水下10 m，開口方向為東偏南2°，AUV在水下10 m深度航行，2 850 s后按文中提出的導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時強制結束導引階段，AUV轉向避讓基站，試驗結果見圖8。

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

圖8（a）表示AUV根據USBL信息計算的導引控制命令，可以看出控制命令是以每15 s進行進行1次內層控制，即控制AUV向基站開口方向調整，基站開口方向為東偏南2°，AUV航向控制命令為88° （AUV航向以正北為0）。在每2次內層之間有2次外層控制，即根據AUV偏離基站中心線的角度，見圖8（c），控制AUV向基站中心線運動，控制流程完全正確。

圖8（b）反映了AUV經過調整后的實際航向實時變化趨勢: 2 850 s開始控制，2 910 s超調達到最大，到3 000 s時航向基本趨于穩定，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，按照試驗預案，AUV結束了近程導引階段，轉向航行。圖8（d）表示在整個導引過程中，AUV到對接基站的距離，可以看出AUV離基站越來越近，是符合試驗預期的。

圖8　近程導引試驗結果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引流程和控制算法，水平方位角及實際航向偏差在1°以內，考慮到對接基站是喇叭口形狀，是可以滿足對接使用要求的。

4　結束語

文章主要概述了 AUV水下對接中的流程和算法問題。根據對接要求，將對接階段分為遠程、中程、近程和末程 4個階段，并分別介紹了各階段的流程和算法，進行了仿真。

遠程階段的任務是到達指定區域，AUV推算自身位置，獲取 USBL信息以修正慣導誤差，最終確定實際位置；中程階段是為輔助近程階段而設計的，需要完成對接前的路徑規劃，設置航向調整點對 AUV進行多次航向調整；近程階段AUV采取雙平面控制方法，對收到的USBL信號周期內做3次外層控制，1次內層控制；末程階段保持直航，若對接失敗則重復整個對接流程。

經過仿真和實航驗證，該對接流程能平穩可靠地實現AUV的水下對接，可進一步用于AUV的聯合海試。

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［2］ 吳利紅，許文海，王利鵬.AUV水下終端對接目標識別與定位技術［J］.大連海事大學學報，2007，40（2）: 81-85.Wu Li-hong，Xu Wen-hai，Wang Li-peng.Dock Position and Pose Estimation Algorithm for AUV Underwater Terminal Docking［J］.Journal of Dalian Maritime University，2007，40（2）: 81-85.

［3］ 程燁，羊云石，林婕，等.一種AUV水下接駁站的研究［J］.艦船科學技術，2015，37（11）: 91-94.Cheng Ye，Yang Yun-shi，Lin Jie，et al.A Survey on Underwater AUV Docking Station［J］.Ship Science and Technology，2015，37（11）: 91-94.

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［7］劉和祥.面向 AUV回收控制的水下機器視覺研究［D］.哈爾濱: 哈爾濱工程大學，2009.

（責任編輯: 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，主要研究方向為武器系統與運用工程.