海洋智能无人系统：计算机模拟和海上试验技术

通过修改性能指标J将航行器或执行器动态（可行性约束）和任务目标（如OA或水下交会）结合起来，可以将所提出的路径规划方法调整到特定的航行器或操作域。本节介绍了四种不同应用的模拟和水下实验结果，这些应用使用了所提出的UMV制导轨迹优化框架：①AUV与移动式水下回收系统（MURS）的水下对接；②为了提高AUV的自定位精度，对地形相关特征图进行了优化开发；③杂乱环境中的二维或三维OA；④河道作业中基于声呐的OA的特定USV实施。

1）水下回收

水下回收的目标是能够计算从AUV等待模式上的任何点到MURS等待模式上的任何点的交会轨迹，如图11.19所示（下文中的深度值显示为负数）。

图11.19　初始和最终条件的流形

虽然图11.19所示的随机模拟采用了圆形航道，但实际上，MURS将建立一条航道，使其能沿着两条长航道来回行驶（图11.20）。这些航段需要有足够的时间接触AUV（假设AUV在通信范围内的某个地方处于等待模式），并允许其从等待模式过渡到会合点。提出的事件序列是使MURS（图11.20中的位置1）向AUV（位置2）发送信号，并命令它在一定时间内继续到达会合点。AUV计算符合命令所需的轨迹。如果命令的会合是可行的，AUV发送确认消息。否则（即请求违反了某些限制），AUV发送一条拒绝消息（图11.20中的阶段A），并请求MURS命令不同的会合点或时间。轨迹的最终点位于MURS对接站在给定时间的大致位置。知道MURS的几何结构可以让设计者构建一个与MURS螺旋桨和尾部控制面相对应的“隔离区”。AUV交会轨迹必须避开该区域。一旦会合计划达成一致并得到确认，AUV和MURS都将进入3号位置进行会合（B阶段）。最后，在位置4，完成回收操作（阶段C）。

图11.20　会和场景

模拟的会和场景分别假设三个阶段：通信（A）、执行（B）和回收（C）。从轨迹生成的角度来看，主要关注的是优化路径，使AUV在MURS提出的预设时间Tr内从当前位置（点2）到达某个会合状态（点3），同时遵守所有可能的现实约束并避免MURS隔离区。

图11.21和图11.22给出了一个计算机模拟情况，其中MURS正以1 m／s（1.94 kn）的速度向东移动，对接站的深度为15 m。AUV位于800 m以外。MURS希望在Trmin后进行交会操作并将相应的信息发送给AUV。这些信息包括生成的最终位置xf，yf，zf的交会路线、速度和时间。图11.21显示了几个生成的轨迹，这些轨迹达到了该场景的预期目标，并避免了沿着预期路径到达MURS的障碍物。这些轨迹因到达时间Tr不同而不同。

图11.21　会和轨迹示例

在与MURS进行握手通信时，AUV确定提出的Tr是否可行。在显示的四个轨迹中，Tr=450 s时生成的轨迹是不可行的（违反了对控制的限制）。在这种情况下解决最短时间问题的方法得出了最快会合时间为488 s。

图11.21所示的其他三个轨迹是可行的。这意味着通过构造满足了边界条件，并且包括OA在内的所有约束条件通过优化也都得到满足。例如图11.22显示了横摆率和航行路径角γc航行器控制参数的时间历程，以及AUV在跟踪Tr=600 s轨迹时的速度。

图11.22　Tr=600 s的约束航行参数

图11.21所示的流形的随机模拟表明，只要Tr大于某个值，在任何情况下都可以成功会合。此外，他们还表明，使用IDVD方法最小化性能指标可以确保在几秒内计算出平滑、可实现的轨迹，而不考虑初始猜测。将代码转换为可执行文件而不是使用解释型语言可以将执行时间减少到一秒的几分之一。

2）基于特征的导航

在过去的十年里，已经开发出几种不同的AUV来执行各种水下任务。勘测类航行器携带用于绘制海底地图的高精度的导航和声呐有效载荷，但这些有效载荷使此类航行器非常昂贵。缺少这些有效载荷的航行器可以以很小的成本执行许多有用的任务，但如果没有外部导航设备，它们的性能将因不精确的自定位而降低。因此考虑通过一组航行器进行协作操作，以合理的成本实现最大的效果。NPSCAVR一直在研究一种称为基于特征导航的操作概念。这项技术使仅配备GPS接收器和低成本成像声呐的航行器具备使用勘测航行器生成的精确声呐地图的能力。该地图由地形或底部对象特征组成，这些特征可作为之后的导航参考。该声呐地图在发布前下载到低成本的后续航行器上。从地面获得的初始GPS定位开始，这些航行器通过将当前的声呐图像与勘测航行器地图上的声呐特征相关联进而在水下导航。通过最大限度地利用成像声呐探测导航参考次数可以提高基于特征的导航工具的定位精度。下面的模拟演示了如何为该应用定制IDVD轨迹生成框架。通过将一个长度为60 m、水平视场为30°、额定ping速率为1 Hz的FLS的简单几何模型结合起来，设计了一个支持候选轨迹的新性能指标，使声呐指向先验特征图中的导航参考。在这个例子中，寻找的轨迹可以获得地图中每个特征的至少三个声呐图像。图11.23显示了一个计算机模拟的结果，其中声呐对每个目标成像的次数进行了注释。由此产生的轨迹是可行的（满足转弯率限制），并生成除了两个目标以外的三个或更多的声呐图像。(www.xing528.com)

图11.23　基于特征的导航应用模拟结果

3）杂乱环境中的避障

受益于上述轨迹生成算法的另一个应用是在高度混乱的环境中实时OA。图11.24说明了用于避免二维水平面（如海带森林）和所有三维（如矿区）中的点状物体场的模拟轨迹。在这两种模拟中，性能指标的设计都是为了尽量减少与预定测量轨迹的偏差，同时通过CPA计算避免所有随机产生的障碍物。选择OA操纵的终端边界条件以确保AUV在到达下一个航路点之前重新连接所需的航迹线（操纵在沿航段95%的位置时终止）。选择初始边界条件来模拟随机障碍物监测，在AUV完成约10%的预定轨迹段后触发规避操作。为了便于说明，图11.24包括在优化过程期间评估的几个候选轨迹，算法最终收敛到用较粗红色线描述的轨迹（到每个障碍物的CPA距离显示为虚线）。

图11.25显示了2008年12月9日在蒙特雷湾进行的3DOA初步海上试验的结果。本次实验使用由定向边界框组成的模拟障碍物图在REMUSAUV上测试了周期性轨迹生成和重规划。如图11.25所示，REMUSAUV最初在4 m高度上遵循预定的航迹段（虚线）。在某一点上，航行器的FLS模拟器“监测”障碍物（即当前REMUS的位置和方向将虚拟障碍物置于FLS的范围和光圈限制内）。这将激活OA模式，规划器生成从当前航行器位置到最终航迹点的初始轨迹（绿色）。当航行器生成一个新的轨迹并继续跟随这条轨迹循环时，REMUS沿着这条轨迹一直走到下一个规划周期（4 s后）。

图11.24　3D OA初步海上试验结果

图11.25　REMUS海上试验结果显示定期规划和路径跟踪

4）限制水道的避障

NPSCAVR与弗吉尼亚理工大学开展合作，使USV能够在未知的河流环境中安全、自主导航。该项目涉及用于障碍物探测、定位和绘图的表面（激光）和地下（声呐）传感，以及提供全球范围（广域）路径规划、局部范围轨迹生成和鲁棒航行器控制。开发的方法包括混合后退水平控制框架，该框架将全局最优路径规划器与局部近似最优轨迹生成器集成在一起。

弗吉尼亚理工大学的全局路径规划器使用快速行进方法根据所有可用的地图信息计算开始位置和目标位置之间的最佳路径。虽然生成的路径是全局最优的，但它们不包含航行动态，因此USV自动驾驶仪无法准确地跟踪生成路径。此外，由于水平集计算的成本很高，因此只有在必要时才重新计算全局计划，所以规划器并不总是包含最近监测到的障碍物。因此，需要一个在短时间内运行的互补本地路径规划器来整合当前传感器的信息并生成可行的OA轨迹。上面描述的基于IDVD的轨迹发生器非常适合这种情况。VT设置了一套保证框架渐近稳定的匹配条件。当满足这些匹配条件时，局部轨迹序列将收敛到全局路径的目标位置。如果局部轨迹不再满足这些条件（通常是因为全局路径与最新监测到的障碍物不兼容），则重新计算全局路径。

图11.26　模拟的局部OA轨迹

仿真结果表明了结合航行动态和实时传感器数据的局部轨迹需求（图11.26）。在本次模拟中，使用在萨克拉门托河作业区的航拍图像，将图像中的陆地区域设为占用的栅格而将水域设为未占用的栅格来计算初始水平集合图。从USV的初始位置对水平集执行梯度下降会产生以蓝色显示的最佳路径。为了用原全局计划来模拟局部轨迹生成，在整个模拟过程中，初始水平集地图没有更新。同时，为了模拟对实时传感器数据的访问，对局部规划器提供了一份完整的声呐地图，该地图是之前在对该地区进行的Sea Fox调查期间生成的。在图11.26中，该声呐图被覆盖在先验图上，红色和绿色通道分别表示一个单元被占用或未被占用的概率。黑色像素表示状态未知的单元格。短绿线部分描述了调用局部规划器时USV的方向，得到的轨迹以黄色显示。第一个模拟图（图11.26a）显示了偏离原全局计划的局部轨迹，以避让声呐监测到的沙洲。在第二个模拟图（图11.26b）中，USV最初朝着与全局路径相反的方向行驶，但局部规划器生成一个动态可行的轨迹以便稍后转向并重新加入全局路径。

为了跟踪这些局部轨迹，可通过二维控制器在Sea Fox USV上将控制器的转弯率命令映射为Sea Fox自动驾驶仪理解的方向舵命令来实现。在蒙特利湾海上验证转弯率控制器设计后，2010年5月22日，在密西西比州的珠江上测试了直接法轨迹发生器和闭环路径跟随控制器（图11.27）。在这项测试中，局部规划器使用作业区域的声呐图来生成从初始方向（黄色箭头所示）到所需目标点（圆形所示）的轨迹（青色线）。Sea Fox USV几乎精确地跟踪它（洋红色线）。如图11.27所示，当USV顺时针转动时，轨迹发生器以任意位置调用。由于USV在完成此操作后被命令返回其起始位置，洋红色线也包括该返回轨迹的一部分（否则，实际USV轨迹将与此图上的参考轨迹几乎不可区分）。

图11.27　珠江上的路径跟踪控制器测试