信息融合技术在水下组合导航系统中的应用

要实现水下精确导航,采用单一导航方法,其精度、可靠性无法满足需要．将多种导航技术适当融合,可以取长补短提高导航精度．以捷联惯性导航系统作为组合导航系统的主导航设备,GPS导航、多普勒导航等为辅助导航设备,利用联邦Kalman滤波技术对水下组合导航系统进行信息融合,充分融合多导航传感器信息,提高远程自主水下航行器的导航精度．     

基于神经元PID的水下机器人自动升沉补偿液压系统设计

针对母船的升沉运动会影响到带缆遥控水下机器人的安全作业和收放功能,提出了利用液压绞车进行水下机器人自动升沉补偿的方案.设计了带缆遥控水下机器人升沉补偿液压系统,控制系统采用了神经元自适应PID控制算法.并在Matlab中进行了仿真,仿真结果表明,该系统能够较好的实现水下机器人的升沉补偿运动.     

基于单浮标的水下运载体定位建模与仿真

在运动受力分析的基础上建立了浮标水下无动力运动弹道数学模型，编写Matlab程序实现了弹道仿真，获得了浮标在水下运载体右正横方向上的位移，并基于此建立了运载体水下定位模型，最后针对此模型对水下运载体的定位误差进行了初步分析，其定位误差满足一般水下运载体导航要求．     

基于碰撞危险度模型的AUV三维避障研究

自治式水下机器人(AUV)在复杂海洋环境航行时要求能够及时躲避障碍物.文中建立了基于前视声呐的环境模型,将未知障碍物信息转化到环境中,并对未知障碍物进行属性判断.将水面船舶的碰撞危险度概念应用到AUV的水下环境避障中,建立新的水下三维碰撞危险度模型,仿真实验证明此方法可以使AUV 在多水下运动障碍物的不确定环境中得到较好的局部避碰效果.     

性能基导航中飞行技术误差估计研究综述

从人为因素、飞行器性能与环境因素3方面剖析了性能基导航中飞行技术误差的影响因素及其特性。依据导航方式与特定运行条件分类论述了基于飞行试验的飞行技术误差试验统计研究,指出了此类研究方法的局限性。评述了基于成型机理的飞行技术误差方差估计模型与方法,讨论了各种方法的特点和应用范围。从飞行技术误差估计方法与应用2方面分析了现有研究的局限性与后续研究展望。分析结果表明：在手动操作方式下,不同的飞行策略对飞行技术误差有较大影响,航径偏移指示器的灵敏度与侧向飞行技术误差负相关。在航路和终端区,某些通用航空飞行器的侧向飞行技术误差的标准差分别高达759．32、481．52 m,主要原因是未安装高精度导航系统。对飞行试验结果进行统计拟合的估计方法无法全面地覆盖全部机型、航段与天气条件,因而具有一定的局限性,而基于成型机理的飞行技术误差估计方法估计的侧向、高度飞行技术误差的标准差分别为2．68、1．13 m,通过与仿真结果和实测数据的比较,方法的有效性得到验证。性能基导航设备在实时估计飞行技术误差时,采用假设常值而不进行实时估计,将会使飞行器处于危险中。从多重因素入手研究如何减小性能基导航中飞行技术误差是未来的重要研究方向。     

基于双目视觉的AUV避障模拟研究

提出了一种基于双目视觉的自治水下机器人（AUV）避障模拟方法.为了模拟AUV在复杂海洋环境中对未知环境的感知以及避障过程,设计了AUV避障模拟实验系统.介绍了AUV避障模拟平台的总体结构和参数设计.应用双目立体视觉系统模拟水下声呐,并建立了模拟前视声呐的模型.通过对双目视觉系统进行标定,确定校正系统的内参数和外参数,使校正后的视觉系统建立了图像输入和输出的映射关系,并采用视差法获取被测目标的深度信息.对于目标的避障问题,提出了一种基于速度势场的避障方法,利用相对速度的极坐标,建立由水平面速度势场和垂直面速度势场组成的三维速度势场.当机器人利用视觉传感器获取到障碍物信息时,通过调整速度矢量实现动态避障.模拟实验证明了AUV的避障模拟方法是可行和有效的.     

不同流速流向下的某型空投水雷水下散布研究

对某型空投水雷在不同流速流向条件下的水下不同深度的散布进行了仿真研究.分析了空投水雷水下无动力运动过程中雷体和尾翼的受力情况,并在运动受力分析的基础上给出了研究其水下散布的数学基础--水下无动力运动弹道仿真数模.用Matlab软件编写了空投水雷水下散布仿真程序,并对不同流速流向条件下多种初始条件的水下不同深度的散布进行了研究,给出了仿真结果和分析.     

水下航行体引起海底压力变化的计算方法

针对水下航行体近海底和近水面运动的不同特点，应用船舶水动力学理论，建立了细长体和回转体引起海底压力变化的数学模型，并对典型艇体的海底压力场进行了计算；研制了高精度的水底动压测量系统，理论计算和实验结果具有较好的一致性．研究表明，水下航行体的压力场特征明显，可用于发现和识别水下运动目标．     

大深度水下航行体引起的水底压力变化

水下航行体引起的水底压力变化是航行体的重要目标特性之一,可用于水下运动目标探测和水中兵器研制.基于船舶水动力学势流理论,建立了水下航行体水底压力计算模型.利用HessSmith方法,对大深度水下航行体的压力场分布进行了计算,分析了航行体水压场沿纵向和潜深的变化规律,计算结果和实验结果有较好的一致性.     

基于水动力系数敏感性指数的水下航行器运动方程简化研究

针对水下航行器操纵运动方程,引入水动力系数敏感性指数的概念.选取了2种典型运动形式进行仿真计算,对某水下航行器水动力敏感性指数进行了合理分级,并以此为根据对水下航行器操纵运动方程进行了简化.对比结果表明,采用仿真计算的方法研究水动力系数与水下航行器操纵性的关系及运用敏感性指数评估水动力系数对操纵性的影响不失为一条可行的途径.     

基于AIS数据的船舶安全航行水深参考图

通过挖掘海量AIS数据, 提出了一种新的航道水深信息获取方法, 即构建船舶安全航行水深参考图; 采用数据预处理的方法对历史与在线的AIS数据进行清洗和修补, 生成船舶运动轨迹; 选定船舶航行区域的时间与经纬度, 采用K-means聚类算法对船舶航行过程中的吃水数据进行聚类分析, 得到不同安全航行区域的船舶分类, 运用BP神经网络模型预测并补齐AIS数据中缺失的船舶最大吃水信息; 分割船舶历史轨迹, 当子轨迹的时间间隔在10~20min时, 采用Spline插值方法对船舶轨迹中的丢失数据进行插值; 采用凸包构建同类船舶的安全航行水深区域图, 将不同吃水类型船舶的安全航行水深区域图合并, 得到船舶安全航行水深合并图; 将不同吃水类型的船舶安全航行水深合并图与航道图叠加, 得到船舶安全航行水深参考图。试验结果表明: 当聚类算法参数设置为4时, 聚类后得到4类船舶, 对应的船舶最大吃水范围分别为0.1~4.8、4.8~6.6、6.6~10.0、10.0~13.0m, 对应的至少可通航船舶吃水分别为1.8、2.4、3.3、5.0m, 说明船舶最大吃水与至少可通航船舶吃水呈正相关关系; 构建的船舶安全航行水深参考图在电子航道图中覆盖了86%的航道, 并与航道图的深水部分重合率为80%, 因此, 构建的船舶安全航行水深参考图能反映航道水深的真实情况, 满足不同类别船舶的导航需求。      

Simultaneous localization and mapping of autonomous underwater vehicle using looking forward sonar

A method of underwater simultaneous localization and mapping (SLAM) based on on-board looking forward sonar is proposed. The real-time data flow is obtained to form the underwater acoustic images and these images are pre-processed and positions of objects are extracted for SLAM. Extended Kalman filter (EKF) is selected as the kernel approach to enable the underwater vehicle to construct a feature map, and the EKF can locate the underwater vehicle through the map. In order to improve the association efficiency, a novel association method based on ant colony algorithm is introduced. Results obtained on simulation data and real acoustic vision data in tank are displayed and discussed. The proposed method maintains better association efficiency and reduces navigation error, and is effective and feasible.     

开阔水域多物标动态自适应智能航行方法

考虑船舶操纵特性、《1972年国际海上避碰规则》和良好船艺要求,提出了动态自适应目标船不协调避碰行动的开阔水域智能航行方法;将物标分类、建模并构建数字孪生交通环境,结合航向控制方法、操纵运动和复航模型构建了自动航行模型,推演了船舶非线性操纵运动;基于自动航行模型量化解析了《规则》要求,探究动态避碰机理,建立了可行航向求取方法;在多目标环境中,提出了目标船机动判别方法,研究了《规则》约束下构成自主航行方案的改向时机、幅度和复航时机等要素求取方法。仿真结果表明:依靠信息秒级更新的滚动计算,提出的智能航行方法可自适应剩余误差和目标船随机运动;提出的智能航行方法能将可行航向区间和改向幅度精确到1°;将程序运行和复航时机计算步长设置为1、10 s,设置多类静态物标和6艘保向保速目标船,在640、1 053、2 561和3 489 s,本船进行右转9°、复航、保向保速和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点;设置目标船在300 s采取不协调转向避让行动,本船在980、2 790、3 622、5 470 s时进行右转9°、左转12°、右转17°和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点。可见,任意初始状态下的船舶均可沿计划航线自动航行至终点,提出的方法能满足多个、多类动静态物标共存的真实开阔水域环境中的智能航行需要。      

基于姿态监测的船舶航行安全监控系统研究

利用自主开发的船舶姿态测量平台,以及MMG、SVM和ADRC等技术手段,首次研究开发一种基于船舶六自由度运动姿态,监测的船舶航行安全实时监控系统,解决船舶航行状态下,不能实时调整合理吃水差及准确预报船舶航行状态的问题,摆脱传统意义上的有关船舶航行安全实时监控相关技术的束缚．     

基于有限记忆的智能群体群集运动控制

以历史状态信息来模拟刻画个体的个性特征,将组成群体的简单个体扩展为具有有限记忆能力的智能个体,研究了个体的个性特征对群集行为的影响;建立了具有简单智能的群体的群集控制模型并进行了稳定性分析．智能个体根据记忆单元的历史状态信息利用最小二乘法预估计个体的下一步运行状态,并以此作为虚拟领航者引导群体运行,实现智能群体群集运动控制．仿真结果验证了该模型的有效性,证实了个体的个性特征使得群体最终在稳态附近波动．     

基于AHP和模糊评价的船舶异常行为研判

商船和绝大部分大中型渔船都安装船载AIS、北斗卫星定位和通信终端,产生大量船舶航行数据,主要包括航行速度、轨迹、位置等参数,这为研究船舶异常行为研判提供可能性.从运动异常、位置异常、AIS设备异常和其他参数异常四个角度考虑,构建船舶异常行为评价指标体系,运用层次分析法(AHP)获得各个层次指标的权重系数,应用模糊综合评价法对船舶异常行为进行建模,实现对船舶异常行为评估.还开发了软件系统,对专家和评分进行管理,设计计算方法,计算权重和评价结果.还以船舶航行数据为依据,构建船舶走私研判模型,对船舶走私可能性进行评估分析.基于船舶航行过程数据,对船舶异常行为进行预判,对于船舶运行安全管理,打击非法作业、走私等具有重要意义.     

气象预报支持下的三峡通航滚动时域调度

气象条件是影响三峡工程坝区船舶通航的重要因素之一,目前坝区船闸通航调度已实现了计算机自动编制,但现有的模型和算法对气象条件的处理能力不足.文中立足于三峡工程现有的气象服务信息化水平,以及常规条件下已稳定运行的滚动时域调度模型和算法,建立了针对气象预报信息的数学模型局部修正方法,实现了在现有通航调度优化框架内有效处理气象预报信息的目的.     

Development of a Robotic Cochlear Implantation System

Traditional cochlear implantation surgery has problems such as high surgical accuracy requirement and large trauma,which cause the difficulty of the operation and the high requirements for doctors,so that only a few doctors can complete the operation independently.However,there is no research on robotic cochlear implantation in China.In response to this problem,a robotic cochlear implantation system is proposed.The robot is controlled by robot operating system (ROS).A simulation environment for the overall surgery is established on the ROS based on the real surgery environment.Through the analysis of the kinematics and the motion planning algorithm of the manipulator,an appropriate motion mode is designed to control the motion of the manipulator,and perform the surgery under the simulation environment.A simple and feasible method of navigation is proposed,and through the model experiment,the feasibility of robotic cochlear implantation surgery is verified.     

条带测深系统中使用多子阵的海底探测技术

介绍了一种建立在与相位信息相联系的分离孔径方法的基础上的、用于多波束测深声纳的海底探测方法。作为分离孔径方法的推广，多子阵可用于估计海底回波的到达方向（DOA），应用图像变换从相位信息中计算海底的深度。利用计算机仿真及研制的多波束条带测深仪记录的数据进行处理，结果表明，这种方法改善了非镜向区域的海底检测性能，有效提高了边缘波束的测深精度，解决了幅度检测法在大入射角时测量误差较大的问题。     

实时水中目标辐射噪声仿真技术研究

水中目标辐射噪声主要包括平滑连续谱和线谱2部分,对平滑连续谱建立的功率谱数学模型,可以按照需求确定模型参数,通过Levinson算法递推出AR模型参数.对线谱的主要来源进行了分析,推导了线谱的简要模型,并考虑了多普勒效应.给出了水中目标噪声的简要仿真模型,并提出一种在微机平台上利用DirectSound接口,使用普通声卡对辐射噪声进行播放的方法,利用信号量方法解决了实时无间断播放的问题,可用于声呐员训练和航行模拟系统的听觉仿真.