本發(fā)明涉及的是一種水下無人航行器(unmannedunderwatervehicle，uuv)的回收方法，具體的是一種利用水面無人航行器(unmannedsurfacevehicle，usv)水面動(dòng)態(tài)自主回收uuv的方法。

背景技術(shù)：

uuv是一種可重復(fù)使用的海洋工具，uuv執(zhí)行完使命任務(wù)后是必須要進(jìn)行回收的，因此對(duì)uuv進(jìn)行安全回收是uuv使用的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前uuv的回收主要有水面回收和水下回收兩種方式。對(duì)于水面回收，通常是將uuv回收到有人水面船上，整個(gè)回收過程是通過人工操作完成的。然而，隨著海上無人系統(tǒng)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了usv和uuv兩個(gè)海上無人系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)的應(yīng)用方式。由于usv的體積大、速度快，因此可利用usv攜帶uuv執(zhí)行使命任務(wù)，usv攜帶uuv航渡至任務(wù)區(qū)域后將uuv布放入水，然后usv和uuv各自進(jìn)行作業(yè)任務(wù)。待任務(wù)執(zhí)行完成后，usv對(duì)uuv進(jìn)行回收后返航。usv和uuv從航渡、布放、作業(yè)、回收的整個(gè)過程都是無人干預(yù)、自主完成的。特別地，對(duì)于usv回收uuv來說，要實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)條件下、完全自主、安全可靠的完成整個(gè)回收過程，是具有一定難度的。

申請(qǐng)?zhí)枮?01610104470.1的專利文件中公開了一種“基于魯棒約束模型預(yù)測(cè)控制的uuv對(duì)線控位回收方法”，主要解決水下母船背馱式搭載uuv的自主回收方法。首先該專利是利用水下母船進(jìn)行uuv的水下回收，與本發(fā)明的利用usv進(jìn)行水面回收不同。其次該專利重點(diǎn)解決以水下背馱式搭載回收uuv的控制方法，與本發(fā)明重點(diǎn)解決usv和uuv相互配合進(jìn)行回收的機(jī)動(dòng)策略和航行方法不同。

申請(qǐng)?zhí)枮?01310639638.5的專利文件中公開了“一種自治水下航行器的回收系統(tǒng)及其回收方法”，主要解決工作人員位于母船上實(shí)現(xiàn)回收水下航行器的裝置和方法。該專利雖然是水面母船回收，但是母船是有人的，而且回收過程是人工操作完成的，與本發(fā)明利用usv進(jìn)行無人干預(yù)的、水面自主回收不同。其次該專利重點(diǎn)是提出了一種安裝在水面母船上的a型架、起吊鎖等為主要設(shè)備的回收裝置以及人工操作該裝置回收uuv的方法，與本發(fā)明重點(diǎn)解決usv和uuv相互配合進(jìn)行回收的機(jī)動(dòng)策略和航行方法不同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種不需要人為干預(yù)，usv和uuv可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)完全自主的采取回收機(jī)動(dòng)策略航行，完成usv水面動(dòng)態(tài)自主回收uuv的方法。

一種usv水面動(dòng)態(tài)自主回收uuv的方法，包括以下步驟，

步驟一：uuv和usv在水面待機(jī)，uuv向usv發(fā)送回收請(qǐng)求，啟動(dòng)回收過程；

步驟二：usv以固定速度駛向uuv，uuv保持原地待機(jī)；

步驟三：判斷usv是否進(jìn)入回收?qǐng)A，如果進(jìn)入回收?qǐng)A轉(zhuǎn)步驟四，否則轉(zhuǎn)步驟二；

步驟四：usv根據(jù)進(jìn)入回收?qǐng)A的限象，解算出其要跟蹤的虛擬usv的初始位置點(diǎn)pf_v_usv，uuv保持原地待機(jī)；

步驟五：虛擬usv的運(yùn)動(dòng)是從初始位置點(diǎn)pf_v_usv，按照頂風(fēng)航向，沿直線航行；進(jìn)行虛擬usv的運(yùn)動(dòng)解算，得到虛擬usv的位置，usv跟蹤虛擬usv；uuv保持原地待機(jī)；

步驟六：判斷usv是否進(jìn)入激活圓，如果沒有進(jìn)入激活圓轉(zhuǎn)步驟五，否則轉(zhuǎn)步驟七；

步驟七：usv保持當(dāng)前航向和航速航行，并通過無線電向uuv發(fā)送激活指令；

步驟八：uuv接收激活指令后，進(jìn)行虛擬uuv的運(yùn)動(dòng)解算，得到虛擬uuv的位置，并開始跟蹤虛擬uuv；

步驟九：判斷uuv是否進(jìn)入對(duì)接圓，如果沒有進(jìn)入對(duì)接圓轉(zhuǎn)步驟八，否則轉(zhuǎn)步驟十；

步驟十：uuv釋放對(duì)接機(jī)構(gòu)，同時(shí)通過無線電通知usv釋放對(duì)接結(jié)構(gòu)；

步驟十一：uuv與usv通過對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接，回收完成。

本發(fā)明一種usv水面動(dòng)態(tài)自主回收uuv的方法，還可以包括：

1、所述的步驟二中，usv以固定速度駛向uuv的航向指令和速度指令為：

uusv_cmd(t)＝uusv_c

其中，ψu(yù)sv_cmd(t)表示usv的航向指令；是uuv的位置點(diǎn)坐標(biāo)，通過uuv上的gps傳感器測(cè)量得到；是usv的位置點(diǎn)坐標(biāo)，通過usv上的gps傳感器測(cè)量得到；uusv_cmd(t)表示usv的航速指令；uusv_c為設(shè)定的usv固定航速。

2、所述的步驟三中，判斷usv是否進(jìn)入回收?qǐng)A的條件為：

如果滿足條件則usv進(jìn)入回收?qǐng)A；

其中，dusvtouuv(t)表示usv到uuv的距離；rhoming表示回收?qǐng)A的半徑，取uuv和usv體長(zhǎng)和的5倍。

3、所述的步驟四中，解算出虛擬usv的初始位置點(diǎn)pf_v_usv的方法為：

以u(píng)uv所在位置為原點(diǎn)，建立北東直角坐標(biāo)系，分為ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ共4個(gè)限象；其中，東北為第ⅰ象限、東南為第ⅱ象限、西北為第ⅲ象限、西南為第ⅳ象限；如果usv從第ⅰ限象進(jìn)入回收?qǐng)A，那么令如果usv從第ⅱ限象進(jìn)入回收?qǐng)A，那么令如果usv從第?；虻冖は尴筮M(jìn)入回收?qǐng)A，那么令且有l(wèi)＝3×luuv，luuv為uuv的體長(zhǎng)。

4、所述的步驟五中，進(jìn)行虛擬usv的運(yùn)動(dòng)解算，得到虛擬usv的位置

其中，pv_usv(t)表示t時(shí)刻虛擬usv的位置點(diǎn)，且有為虛擬usv的位置點(diǎn)坐標(biāo)；αw是迎風(fēng)角，且有αw＝αwind+π，αwind為風(fēng)向角，可由usv上的風(fēng)向傳感器測(cè)得；為虛擬usv運(yùn)動(dòng)參考量，且有

進(jìn)一步得到，usv跟蹤虛擬usv的航向指令和速度指令為：

5、所述的步驟六中，判斷usv是否進(jìn)入激活圓的條件為：

滿足條件則認(rèn)為usv進(jìn)入激活圓；

其中，dusvtov_usv(t)表示usv到虛擬usv的距離；ractive表示激活圓的半徑。

6、所述的步驟八中，進(jìn)行虛擬uuv的運(yùn)動(dòng)解算，得到虛擬uuv的位置為：

其中，pv_uuv(t)表示虛擬uuv的位置點(diǎn)，且有為對(duì)接點(diǎn)，為usv上釋放出對(duì)接機(jī)構(gòu)后對(duì)接機(jī)構(gòu)的位置點(diǎn)，隨usv的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，為對(duì)接點(diǎn)坐標(biāo)；稱為虛擬uuv運(yùn)動(dòng)參考量；ψu(yù)sv(t)表示usv的實(shí)際航向角，通過uuv上的羅經(jīng)傳感器測(cè)量得到；

進(jìn)一步得到，uuv跟蹤虛擬uuv時(shí)的航向指令和速度指令為：

uuuv_cmd(t)＝uuuv_max·ρusv(t)·ρuuv(t)

其中，ψu(yù)uv_cmd(t)表示uuv的航向指令；uuuv_cmd(t)表示uuv的航速指令；uuuv_max表示uuv的最大航行速度，是恒定值；ρusv(t)表示與usv相關(guān)的衰減系數(shù)；ρuuv(t)表示與uuv相關(guān)的衰減系數(shù)。

7、所述的步驟十中，判斷uuv是否進(jìn)入對(duì)接圓的條件為：

滿足條件則認(rèn)為uuv進(jìn)入對(duì)接圓；

其中，duuvtov_uuv(t)表示uuv到虛擬uuv的距離；rdocking表示對(duì)接圓的半徑。

8、所述的對(duì)接點(diǎn)pd(t)為：

其中，ld是usv的重心到對(duì)接機(jī)構(gòu)的位置點(diǎn)的長(zhǎng)度，pusv(t)為usv當(dāng)前的位置；

虛擬uuv運(yùn)動(dòng)參考量的為：

其中，uuuv(t)表示uuv的實(shí)際航行速度，通過uuv上的dvl測(cè)量得到。

9、所述的與usv相關(guān)的衰減系數(shù)ρusv(t)和與uuv相關(guān)的衰減系數(shù)ρuuv(t)為：

其中：稱為虛擬usv調(diào)節(jié)量；稱為虛擬uuv調(diào)節(jié)量。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1.本發(fā)明根據(jù)回收態(tài)勢(shì)設(shè)計(jì)了虛擬usv和虛擬uuv的運(yùn)動(dòng)策略，然后通過使usv跟蹤虛擬usv以及使uuv跟蹤虛擬uuv，完成usv和uuv精確回收航行機(jī)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下、無人干預(yù)、安全可靠的usv自主回收uuv。

2.本發(fā)明在usv和uuv的回收機(jī)動(dòng)航行時(shí)，考慮了風(fēng)對(duì)回收的影響，使整個(gè)回收過程均頂風(fēng)進(jìn)行，而頂風(fēng)航行是利于usv和uuv的航向穩(wěn)定，可以提高回收的快速性和安全性。

3.本發(fā)明中usv和uuv的指令解算以及虛擬usv和虛擬uuv的運(yùn)動(dòng)解算所用到的信息量少、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1usv回收uuv的示意圖；

圖2usv水面動(dòng)態(tài)回收uuv的流程圖；

圖3回收?qǐng)A和虛擬usv的初始位置點(diǎn)示意圖；

圖4usv跟蹤虛擬usv示意圖；

圖5uuv跟蹤虛擬uuv示意圖；

圖6usv對(duì)接點(diǎn)和虛擬uuv的位置關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

結(jié)合圖1，usv水面動(dòng)態(tài)回收uuv的過程可以描述為：

回收初始狀態(tài)，usv和uuv都漂浮于水面，而且整個(gè)回收過程也是在水面完成。usv和uuv通過所配置的無線電通信設(shè)備進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，啟動(dòng)回收過程?；厥者^程開始后，usv和uuv分別根據(jù)各自的回收機(jī)動(dòng)策略進(jìn)行航行，目的是形成使uuv和usv逐步接近并且uuv尾隨跟蹤usv的航行態(tài)勢(shì)。當(dāng)uuv和usv的距離、航向滿足回收對(duì)接條件時(shí)，usv和uuv各自伸出對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接，整個(gè)回收過程完成。

結(jié)合圖2，usv水面動(dòng)態(tài)回收uuv的流程可以描述為：

步驟一：uuv和usv在水面待機(jī)，uuv向usv發(fā)送回收請(qǐng)求，啟動(dòng)回收過程；

步驟二：usv以固定速度駛向uuv，uuv保持原地待機(jī)，usv的航向指令和速度指令由式(1)和式(2)解算：

uusv_cmd(t)＝uusv_c(2)

式中，ψu(yù)sv_cmd(t)表示usv的指令航向；是uuv的位置點(diǎn)坐標(biāo)，可通過uuv上的gps傳感器測(cè)量得到；是usv的位置點(diǎn)坐標(biāo)，可通過usv上的gps傳感器測(cè)量得到；uusv_cmd(t)表示usv的指令航速；uusv_c為設(shè)定的usv固定航速。

步驟三：usv判斷是否進(jìn)入回收?qǐng)A，如果進(jìn)入回收?qǐng)A轉(zhuǎn)步驟四，否則轉(zhuǎn)步驟二；判斷進(jìn)入回收?qǐng)A的方法如式(3)所示：

式中，dusvtouuv(t)表示usv到uuv的距離；rhoming表示回收?qǐng)A的半徑。

回收?qǐng)A如圖3所示，是以u(píng)uv所在位置為圓心，rhoming為半徑的圓，一般rhoming可取uuv和usv體長(zhǎng)和的5倍，即rhoming＝5×(luuv+lusv)，luuv是uuv的體長(zhǎng)，lusv是usv的體長(zhǎng)。usv進(jìn)入回收?qǐng)A，表明usv和uuv的距離較近，可以進(jìn)行后續(xù)回收航行機(jī)動(dòng)和回收動(dòng)作。

步驟四：usv根據(jù)進(jìn)入回收?qǐng)A的限象，解算出自己要跟蹤的虛擬usv的初始位置點(diǎn)為要跟蹤的虛擬usv的初始位置點(diǎn)坐標(biāo)，uuv保持原地待機(jī)。

如圖3所示，以u(píng)uv所在位置為原點(diǎn)，建立北東(ne)直角坐標(biāo)系，分為ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ共4個(gè)限象。如果usv從第ⅰ限象進(jìn)入回收?qǐng)A，那么令如果usv從第ⅱ限象進(jìn)入回收?qǐng)A，那么令如果usv從第?；虻冖は尴筮M(jìn)入回收?qǐng)A，那么令且有l(wèi)＝3×luuv。

步驟五：usv按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律解算虛擬usv的位置，usv跟蹤虛擬usv；uuv保持原地待機(jī)。usv的航向指令和速度指令由式(4)和式(5)解算：

式中，表示虛擬usv的位置點(diǎn)坐標(biāo)，通過解算得到。

usv跟蹤虛擬usv的示意如圖4所示。虛擬usv的運(yùn)動(dòng)是從初始位置點(diǎn)pf_v_usv，按照頂風(fēng)航向，沿直線航行。usv則以式(4)和式(5)為指令保持對(duì)虛擬usv的跟蹤。

虛擬usv的運(yùn)動(dòng)及各時(shí)刻的位置解算方法由式(6)給出：

式中，pv_usv(t)表示虛擬usv的位置點(diǎn)，且有αw是迎風(fēng)角，且有，αw＝αwind+π，αwind為風(fēng)向角，可由usv上的風(fēng)向傳感器測(cè)得；稱為虛擬usv運(yùn)動(dòng)參考量，由式(7)更新得到：

步驟六：usv判斷是否進(jìn)入激活圓，如果沒有進(jìn)入激活圓轉(zhuǎn)步驟五，否則轉(zhuǎn)步驟七；判斷進(jìn)入回收?qǐng)A的方法如式(8)所示：

式中，dusvtov_usv(t)表示usv到虛擬usv的距離；ractive表示激活圓的半徑。

激活圓如圖4所示，是以虛擬usv所在位置為圓心，ractive為半徑的圓，且一般ractive可取20～30米。當(dāng)usv進(jìn)入激活圓，表明usv的回收航行機(jī)動(dòng)已經(jīng)就位，可以激活原地待機(jī)的uuv進(jìn)行回收航行機(jī)動(dòng)。

步驟七：usv保持當(dāng)前航向和航速航行，并通過無線電向uuv發(fā)送激活指令：

步驟八：uuv接收激活指令后，按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律解算虛擬uuv的位置，并開始跟蹤虛擬uuv；uuv的航向指令和速度指令由式(9)和式(10)解算：

uuuv_cmd(t)＝uuuv_max·ρusv(t)·ρuuv(t)(10)

式中，ψu(yù)uv_cmd(t)表示uuv的指令航向；表示虛擬uuv的位置點(diǎn)坐標(biāo)，通過解算得到；uuuv_cmd(t)表示uuv的指令航速；uuuv_max表示uuv的最大航行速度，是恒定值；ρusv(t)表示與usv相關(guān)的衰減系數(shù)；ρuuv(t)表示與uuv相關(guān)的衰減系數(shù)。兩個(gè)衰減系數(shù)的解算方法如式(11)和式(12)所示：

式中：稱為虛擬usv調(diào)節(jié)量，一般可取1-20；稱為虛擬uuv調(diào)節(jié)量，一般也可取1-20；

uuv跟蹤虛擬uuv的示意如圖5所示。虛擬uuv的運(yùn)動(dòng)與usv的位置、usv的航向以及usv上對(duì)接機(jī)構(gòu)的位置有關(guān)，并按照尾隨usv的航行軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。uuv則以式(11)和式(12)為指令保持對(duì)虛擬uuv的跟蹤。虛擬uuv各時(shí)刻的位置解算方法由式(13)給出：

式中，pv_uuv(t)表示虛擬uuv的位置點(diǎn)，且有稱為對(duì)接點(diǎn)，表示usv上釋放出對(duì)接機(jī)構(gòu)后對(duì)接機(jī)構(gòu)的位置點(diǎn)，隨usv的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。稱為虛擬uuv運(yùn)動(dòng)參考量；ψu(yù)sv(t)表示usv的實(shí)際航向角，可通過uuv上的羅經(jīng)傳感器測(cè)量得到。

usv上對(duì)接點(diǎn)和虛擬uuv的位置關(guān)系示意如圖6所示。由圖可以看出，pd(t)和pv_uuv(t)都是隨usv運(yùn)動(dòng)。圖中l(wèi)d是usv的重心到對(duì)接點(diǎn)pd(t)的長(zhǎng)度，而pd(t)和pv_uuv(t)之間的距離即為

那么，從圖6可知，pd(t)由式(14)解算得到：

由式(15)更新得到：

式中，uuuv(t)表示uuv的實(shí)際航行速度，可通過uuv上的dvl(多普勒測(cè)速儀)測(cè)量得到，pusv(t)為usv當(dāng)前的位置；通過usv上搭載的gps測(cè)得，usv將當(dāng)前位置信息發(fā)送給uuv。

步驟九：uuv判斷是否進(jìn)入對(duì)接圓，如果沒有進(jìn)入對(duì)接圓轉(zhuǎn)步驟八五，否則轉(zhuǎn)步驟十；判斷進(jìn)入對(duì)接圓的方法如式(16)所示：

式中，duuvtov_uuv(t)表示uuv到虛擬uuv的距離；rdocking表示激活圓的半徑。

對(duì)接如圖5所示，是以虛擬uuv所在位置為圓心，rdocking為半徑的圓，且一般rdocking可取5～10米。當(dāng)uuv進(jìn)入對(duì)接圓，表明uuv的回收航行機(jī)動(dòng)已經(jīng)就位，可以進(jìn)行最后的對(duì)接動(dòng)作。

步驟十：uuv釋放對(duì)接機(jī)構(gòu)，同時(shí)通過無線電通知usv釋放對(duì)接結(jié)構(gòu)。步驟十一：uuv與usv通過對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接，回收完成。