利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法

利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪
动态路径生成方法
陈　涛, 万　首
(哈尔滨工程大学 青岛创新发展基地, 山东 青岛, 266000)
摘 要: 保持对海底地形的定高跟踪航行是无人水下航行器(UUV)执行海洋勘测和水下目标搜索任务时常采用的一种运动形式, 其核心是UUV如何对未知起伏的海底地形进行实时探测, 并基于探测信息在线、动态地生成跟踪路径, 以实现对地形的定高跟踪航行, 同时避免与地形发生碰撞。

针对上述问题, 提出了一种基于前视声呐探测地形信息、基于多项式拟合动态生成跟踪路径的方法。

首先, UUV利用前视声呐对海底地形进行实时探测, 对获得的地形探测数据进行仿射处理后, 得到具有离散特性的定高仿射数据。

然后, 采用基于最小二乘准则的三次多项式方法对仿射数据进行拟合, 生成基于多项式函数描述的UUV地形跟踪航行路径。

最后, 设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架, 实现UUV的实时地形跟踪航行任务。

文中所提出的跟踪路径生成和动态执行框架通过对典型的海底“上坡”地形和“山地”地形跟踪的仿真验证, 证明了其有效性和可行性。

关键词: 无人水下航行器; 海底地形跟踪; 动态路径; 前视声呐; 多项式拟合
中图分类号: TJ630.34; U666.1 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)02-0304-07
DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0047
Dynamic Path Generation Method for UUV Terrain Tracking Using
Forward-Looking Sonar and Altimetry Sonar
CHEN Tao,　WAN Shou
(Qingdao Innovation and Development Base, Harbin Engineering University, Qingdao 266000, China)
Abstract: Maintaining fixed altitude tracking navigation of seafloor terrain is a common form of motion, which is used by unmanned undersea vehicles(UUVs) on marine survey and underwater target search missions. The core of this motion is how UUVs can detect unknown undulating seafloor terrain in real time and generate tracking paths online and dynamically based on detection information, so as to achieve fixed altitude tracking navigation on the terrain while avoiding collision with the terrain. To solve the above problems, a method for detecting terrain information based on forward-looking sonar and dynamically generating tracking paths based on polynomial fitting was proposed. First, UUVs used forward-looking sonar to conduct real-time detection of seafloor terrain. After affine processing of the obtained terrain detection data, fixed altitude affine data with discrete characteristics could be obtained. Then, the cubic polynomial method based on the least squares criterion was used to fit the affine data, and the navigation path of UUVs for terrain tracking based on the polynomial function description was generated. Finally, a dynamic execution framework including sonar detection, data affine, path generation, and tracking control was designed, so as to realize the real-time terrain tracking navigation mission of UUVs. In this paper, through simulation of tracking on typical seafloor uphill and mountainous terrain, the effectiveness and feasibility of the proposed
收稿日期: 2023-05-08; 修回日期: 2023-06-30.
作者简介: 陈　涛(1983-), 男, 教授, 主要研究方向为无人水下航行器控制
.
第 32 卷第 2 期水下无人系统学报Vol.32 N o.2 2024 年 4 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Apr. 2024
[引用格式] 陈涛, 万首. 利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(2): 304-310.
tracking path generation and dynamic execution framework were demonstrated.
Keywords: unmanned undersea vehicle; seafloor terrain tracking; dynamic path generation; forward looking sonar; polynomial fitting
0　引言
无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)执行海洋地形地貌勘测和水下目标搜索任务时, 为了获得良好的勘测和搜索效果, 通常需要进行地形跟踪航行。

此过程中, UUV不仅要保证对海底的定高跟踪, 同时也要保证自身航行安全, 避免与地形发生碰撞[1]。

然而, 实际海底地形起伏变化较大, 为UUV定高、安全跟踪地形带来了较大挑战。

根据对海底地形的了解情况, 可以把海底地形跟踪分为已知地形跟踪和未知地形跟踪。

对于已知的海底地形, 通常采用预先规划好可行航路, UUV通过跟踪航路即可获得良好的地形跟踪效果。

然而更为符合实际应用情况的是海底地形通常未知, 无法预先规划跟踪航路, 那么就需要根据UUV自身配置的探测传感器实时对海底地形探测, 在获取海底地形局部信息的基础上, 动态实现对海底地形的有效跟踪。

因而如何探测起伏海底地形, 生成平滑连续的UUV定高跟踪航行路径,就成为UUV未知海底地形跟踪的关键。

国外, Silvestre等[2]在INFANTE UUV上通过配置2个测距声呐进行地形探测, 把海底地形跟踪问题转换成离散时间路径控制问题, 从而实现UUV 的海底地形跟踪。

Melo等[3]研究了MARES UUV 基于向下测高声呐的未知地形跟踪问题, 通过测高声呐探测数据解算海底地形的坡度, 然后动态调整UUV的俯仰角度来匹配海底坡度变化, 实现地形跟踪。

Adhamimirhosseini等[4]提出了一种针对低成本UUV的自动地形跟随问题解决方案, 仅使用1个对底测距声呐进行地形探测, 将地形跟踪问题转化为轨迹跟踪问题, 然后使用傅里叶级数理论构造参考信号发生器, 在非线性输出调节理论框架下解决控制设计问题。

Kim 等[5]以巡航Aqua-Explorer UUV为研究对象, 提出一种针对崎岖地形UUV抵近海底地形跟踪的最佳制导策略,通过研究UUV与海底高度和其俯仰角间的关系,推导出一种对应于水平面中预定义航点的深度序列组合集定义的最佳近海底跟踪三维航迹方法。

国内, 徐红丽等[6]通过在UUV的艏部安装多个声呐传感器来探测前方海底地形信息, 利用最小二乘法完成对海底地形的坡度估计, 得到作用到控制器上的解算坡度, 提高了UUV对海底地形的感知跟踪能力, 最后在“潜龙一号”模型上进行了仿真验证。

李岳明等[7]研究了高度计和多普勒对UUV的地形跟踪控制信息影响。

通过Takagi-Sugeno推理方法完成高度计和多普勒测速仪(Dop-pler velocity log, DVL)的测量信息融合处理, 得到较为精确的地形信息, 提高UUV对海底地形的感知能力, 然后通过航速以及航行高度控制来解决UUV的地形跟踪问题。

周易[8]在进行UUV海底地形跟踪研究时, 提出了航行模式切换的跟踪策略。

在声呐探测地形的基础上, 对地形进行安全分类, 然后针对不同安全系数的地形进行定高航行与定深航行状态之间切换, 以提高UUV对海底地形的跟踪效果。

上述文献多直接利用UUV离散探测数据进行定高跟踪航行, 可能会导致航行过程运动状态不稳定, 甚至造成UUV与海底地形发生碰撞。

针对此问题, 将离散探测数据转化为连续的跟踪路径能有效提高定高跟踪航行的安全性与稳定性。

文中基于数据拟合理论提出了利用多项式拟合来解决UUV地形跟踪中生成连续动态路径的问题[9],建立了UUV垂直面动力学模型、运动学模型以及基于多波束前视声呐的海底地形探测模型。

对于路径的生成, 采用了基于多项式拟合的方法将实时地形探测信息拟合为多项式函数描述的路径,然后利用最小二乘法解算拟合函数的待定参数,得到平滑连续的UUV航行路径。

最后, 设计了一种动态执行框架, 以实现UUV地形跟踪任务中对声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的统一协调。

1　问题描述
如图1所示, UUV需要保持对起伏海底地形的定高航行。

由于海底地形信息未知, UUV需要
2024 年 4 月陈　涛, 等: 利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法第 2 期
h A (x i n ,z i
n )利用测高声呐实时探测当前的对底高度, 同时利用多波束前视声呐实时探测前方的地形信息, 并对声呐探测数据以及UUV 状态信息进行融合处
理, 获得探测点集, 保存在大地坐标系
{E }中。

然后对探测点集进行仿射和拟合, 在垂直面生成平滑的航行路径, 使UUV 在航行时与海底保持相对固定的距离, 同时保证UUV 不会与海底地形发生碰撞, 实现定高跟踪。

A (x i n
,z i
n )A (x i +1n ,z i +1n )由于多波束前视声呐的探测范围有限, 无法一次获取海底地形的全部信息, UUV 只能进行局部路径的生成。

随着UUV 的航行, 前视声呐不断获取新的探测点, 并对新的信息进行融合处理, 连续动态地对航行路径进行更新, 实现动态路径生成。

如图1所示, UUV 根据已获取的一段探测信息生成路径1, 并对路径1进行跟踪, 同时通过多波束前视声呐不断获取前方新的探测点集
, 生成轨迹2。

UUV 随后对轨迹2进行跟踪控制, 同时获取探测点集, 生成新的
路径, 依此类推, 动态更新路径, 并跟踪路径。

文中重点解决如何利用声呐实时探测地形信息生成UUV 航行路径的问题, 提出了一种基于多项式拟合的路径生成方法。

设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架, 实现动态且连续的航行路径生成。

此外路径跟踪控制不属于文中研究重点, 故不作详细介绍。

2　模型建立
2.1　UUV 垂直面运动学和动力学模型
UUV 地形跟踪过程是在垂直面航行运动的,
因此, 文中需建立UUV 垂直动力学和运动学模
型。

为了研究方便, 在不影响研究结果的前提下对模型进行适当简化, 忽略UUV 的横摇、横移和转艏运动, 建立UUV 垂直运动学和动力学模型,式(1)为运动学模型, 式(2)为动力学模型[7,10]。

x z u ,w ,q m X (·),M (·),Z (·)I (·)x g ,z g G z τ(·)式中: 和为UUV 在{E }中的位置; 分别为纵向速度、垂向速度和俯仰角速度; 为航行器质量;
为水动力系数; 为转动惯量; 为
重心坐标
; 为稳心高; 为控制力(矩)。

2.2　声呐探测模型
文中研究的UUV 动态路径生成方法是针对
未知海底地形的, 因此UUV 需要配置相应的探测设备实现对地形的实时探测。

如图2所示, 假设UUV 配置了单波束测高声呐, 用于获取当前距离海底的高度信息, 同时配置了多波束前视声呐, 用于获取航行前方的海底地形信息。

与单波束声呐相比, 多波束前视声呐开角大、探测视域更广, 一次回波探测能够获得UUV 航行方向上更大范围、更多地形探测数据点。

同时, 多波束前视声呐分
路径生成
{2024 年 4 月
水下无人系统学报
第 32 卷
α2=90◦α1∈(−30◦∼30◦)辨率更高, 能够更好地反映地形细节, 对于有起伏复杂地形探测更为有利。

前视声呐与测高声呐的安装角度如图2所示, 测高声呐安装角度,前视声呐的前向探测开角, 探测最远距离为50 m 。

此外, UUV 通过深度计可以获得当前的深度信息。

由测高声呐和前视声呐共同组成的海底地形探测系统结合深度信息容易得到UUV 对海底地形的探测实时数据。

研究过程中,利用射线模型来建立测高声呐和前视声呐对海底地形的探测模型。

UUV 探测到的海底地形模型为
x i n
,z i
n d α1θ式中: 为探测点在载体坐标系下的坐标; 为声呐探测返回距离值; 为前视声呐的安装角度;
为UUV 的纵倾角。

图 2 UUV 测高声呐和前视声呐安装示意图
Fig. 2 Installation diagram of UUV altimetry sonar and
forward-looking sonar
3　基于多项式拟合的UUV 海底地形跟踪路径生成方法
3.1　最小二乘准则
通过多项式拟合的方法来实现对离散地形探
测数据的平滑拟合, 以生成UUV 的航行路径, 其结果为一包含若干待定参数的多项式函数表达式。

因此要生成最终的UUV 航行路径, 需要确定拟合多项式函数中的各待定参数。

文中利用最小二乘法求解拟合参数。

选择最小二乘法的原因:一是考虑到多波束前视声呐获得的探测数据点较多, 最小二乘适合反映较多数据点趋势的综合拟合, 得到的拟合结果较为平滑; 二是考虑到前视声呐探测数据存在噪声和误差, 最小二乘适合在噪声和误差下对整体趋势的拟合, 减少单数据点的影响, 从而减少噪声和误差对拟合结果准确性和平滑性的影响。

这里首先介绍基于最小二乘准则对多项式拟合函数进行参数确定的方法
[11-12]。

D ={(x 1,y 1),记一组已知地形采集数据点集(x 2,y 2),(x 3,y 3),···,(x n ,y n )}f (a 0,a 1,···,a m ,x )(x n ,y n )Q =
f (a i )a i (i =0,1,···,m ), 根据数据点分布特点,
选取适当的基函数对点集D 进行拟合, 是已知量, 因此将问题转化为求的最小值问题。

利用最小二乘准则求取函数
f 的待定参数, 有
此时利用偏导数来解得极小值问题, 有
f (x )通过对式(5)方程组进行求解, 可以得到唯一
确定的待定参数, 进而得到唯一确定的拟合函数。

所选取的基函数为三次多项式函数, 待定参
数可以通过联立方程组进行求解。

因此, 可以快速生成跟踪路径。

3.2　基于多项式拟合的路径生成
针对许多典型海底地形, 三次多项式能够很好
地对其进行描述, 因此, 选取三次多项式函数为基函数, 其表达式为
a 0,a 1,a 2,a 3为了得到唯一的描述仿射点集的表达式, 需要对式(6)的系数进行确定。

用最小二乘来确定系数
, 令Q (a 0,a 1,a 2,a 3)a 0,a 1,a 2,a 3a k 当式(7)的达到最小值时, 此时确定的系数便是该次拟合的结果。

将Q 对
求偏导数, 并使偏导数为0, 有
对式(8)进行移项处理, 有
将式(9)通过矩阵形式表示, 有
2024 年 4 月陈　涛, 等: 利用前视和测高声呐的UUV 地形跟踪动态路径生成方法第 2 期
ˆf i
n =
x i f z i f
T
φ(x )a 0,a 1,a 2,a 3式中, d 为常数, 且是通过声呐探
测得到的, 均为已知数据。

当系数行列式不等于0时, 则可以唯一确定的系数。

z =φ(x )φ(x )因此, 得到能够描述仿射点的平滑连续的三次多项式函数, 将作为路径生成函数。

4　基于动态执行框架的UUV 动态路径生成
在对连续变化的未知海底地形持续定高跟
踪航行的过程中, UUV 需要实时探测和处理地形信息, 也需要实时生成控制指令对路径进行跟踪航行。

然而, 路径生成需要对多个周期的数据进行拟合处理, 无法实时进行。

因此, 为实现地
形探测、路径生成和跟踪控制的平稳衔接, 保证UUV 的航行安全与跟踪效率, 提出了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架, 如图3所示。

框架主要分为3个模块, 分别为声呐探测和信息融合模块、数据仿射和路径生成模块以及路径跟踪控制模块。

声呐探测和信息融合模块能通过多波束前视声呐和测高声呐获取探测数据, 并进行信息融合; 数据仿射和路径生成模块能对数据进行仿射处理, 并将仿射结果拟合为函数, 生成跟踪路径; 路径跟踪控制模块能控制UUV 对已生成的路径进行跟踪控制。

A (x i n
,z i
n )动态生成路径的过程中, UUV 首先通过声呐探测和信息融合模块实时获取探测数据, 然后对探测数据和UUV 状态信息进行信息融合处理, 得到探测点。

探测点不会立刻传递到数据仿射和路径生成模块, 而是经过数据积累生成探测点集。

动态执行框架会根据UUV 状态信息以及已知的路径多项式函数, 判断UUV 对已生成路径的跟踪进度, 如果即将跟踪完成, 就发出启动开关信号, 开始数据仿射及路径生成。

图 3 声呐探测-路径生成-跟踪控制动态执行框架
Fig. 3 Dynamic execution framework based on sonar detection, path generation and tracking control
B (x i f ,z i f )φ(x )收到启动开关信号后, 数据仿射及路径生成模块会接收探测点集, 并对其进行定高仿射处理, 得到离散的仿射点集。

然后利用多项式拟合方法对仿射点集进行拟合, 生成连续平滑的路径多项式函数, 并传递到路径跟踪控制模块。

相反的, 如果存在足够长的路径尚未被UUV 跟踪, 则不会进行路径生成, 而会直接进行路径跟踪控制。

可以根据实际需求调整发出启动开关信号的时机, 从而控制启动路径生成的条件。

路径跟踪控制模块基于路径多项式函数, 利用
2024 年 4 月水下无人系统学报
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视线引导法生成纵倾指令, 然后利用比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制器实时控制水平舵角, 实现路径跟踪控制, 并将最新的UUV 状态信息反馈到声呐探测及信息融合模块。

文中研究重点是利用声呐实时探测的地形信息,动态生成UUV 的航行路径, 因此, 不对视线导引法以及PID 控制器作详细介绍。

动态执行框架既实现了声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的协调统一, 又能根据实际地形跟踪的需求, 控制启动路径生成的条件, 保证UUV 面对各种不同海底地形, 都能连续稳定地进行动态路径生成, 完成实时地形跟踪航行任务。

5　仿真结果与分析
为了验证所提基于多项式拟合的跟踪路径生
成方法以及动态执行框架的可行性和有效性, 建模了典型海底“上坡”地形和“山地”地形, 并进行动态路径生成的仿真验证。

仿真中, 控制UUV 航速为2 m/s, 保持对海底地形的定高5 m 航行。

考虑到声呐实际探测通常会出现的虚警问题,仿真过程中增加了探测虚警。

针对加入的虚警,在算法的声呐数据预处理过程中, 通过对连续多拍声呐信息的确认, 进行了虚警数据点剔除(虚警数据点不像地形真实数据点会连续存在, 因此可以通过多拍确认有效辨别和剔除)。

不过仿真中增加的对于虚警数据的判断和剔除, 仅在算法的数据预处理阶段进行, 对所呈现的地形拟合方法的使用和验证不产生实质影响。

此外, 由于声呐存在一定的探测误差, 在仿真中加入0.5 m 的声呐测
距误差, 并进行了此误差下的地形拟合及路径跟踪。

5.1　“上坡”地形动态路径生成及跟踪仿真
设计如图4中黑色点划线所示的海底“上坡”
地形, UUV 在线进行实时地形探测-动态生成路径,即跟踪控制。

图4给出了动态生成的拟合路径, 以及通过纵倾跟踪控制形成的地形跟踪的垂直面轨迹。

图5给出了跟踪控制产生的纵倾指令和纵倾跟踪响应。

图6给出了全过程中的声呐探测点信息、仿射点信息和拟合生成的路径。

从图4和图6可以看出, 对于较大起伏的“上坡”地形, 整个过程中都可实现对地形的连续探测, 获得存在误差的探测点集与仿射点集。

然后采用多项式拟合法对放射点集进行拟合, 生成平滑的跟踪路径。

所得路径函数曲线能够较好地描述仿射点集的变化趋势, 减小了探测误差所产生的影响, 实现与地形保持相对稳定的高度进行跟踪航行。

从图5可以看出, 基于生成的跟踪路径所产生的纵倾指令在合理范围内, 且随着地形坡度变大, 纵倾角指令也变大, 符合地形变化趋势。

5.2　“山地”地形动态路径生成及跟踪仿真
设计如图7中黑色点划线所示的海底“山地”
地形, 然后UUV 在线进行实时地形探测-动态生成路径, 以及跟踪控制, 仿真结果如图7~9所示。

由图7和图9可以看出, “山地”地形存在急剧上升和下降的部分, 前视声呐对这部分地形进行探测时, 得到的探测点较为稀疏, 出现探测盲区。

多项式拟合能够根据当前位置信息以及仿射点信息选取合适的拟合描述函数, 进而生成探测盲区路径,使UUV 在探测盲区也能安全航行, 避免与地形发
距离/m
30
28262422201816141210深度/m
图 4 “上坡”地形路径生成及跟踪结果Fig. 4 Path generation and tracking
results in uphill terrain
时间/s
−6
−4−202468101214纵倾角/(°)
图 5 跟踪航行过程中纵倾指令及响应
Fig. 5 Tracking longitudinal commands and responses during navigation
距离/m
30
2826242220181614121086深度/m
图 6 “上坡”地形跟踪中探测点、仿射点及生成路径
Fig. 6 Detection points, affine points
and generated path in uphill terrain tracking
2024 年 4 月陈　涛, 等: 利用前视和测高声呐的UUV 地形跟踪动态路径生成方法第 2 期
生碰撞。

从图8可以看出, 在探测盲区, 路径跟踪控制模块能生成合理的纵倾指令, 保持对拟合路径的稳定跟踪。

6　结束语
针对UUV 海底地形定高跟踪航行的问题, 提
出了一种动态路径生成方法: 首先基于多波束前视声呐探测地形信息, 并对探测获得的地形数据进行定高仿射处理, 得到离散的仿射点集; 其次基于最小二乘准则提出了多项式拟合方法, 将仿射点集拟合为三次多项式函数, 生成光滑连续的地形跟踪路径; 最后设计了一种动态执行框架, 保证了UUV 能对各种不同的海底地形进行平稳连续的动态路径生成, 完成实时地形跟踪航行任务。

仿真结果表明, 针对“上坡”地形和“山地”地形,多项式拟合方法能基于仿射数据, 动态生成光滑连续且包含探测盲区的跟踪路径。

动态执行框架既保证了实时地形信息更新与航行运动控制, 也保证了稳定的路径生成, 实现了UUV 对未知海底地形的定高跟踪航行, 证明了动态路径生成方法的可行性。

未来可以更加精细化建模声呐探测数据的噪声和误差, 对算法进行完善和优化, 并适时开展基于UUV 实际系统的湖海试验验证。

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(责任编辑: 许　妍)
距离/m
30
28262422201816141210深度/m
图 7 “山地”地形路径生成及跟踪结果Fig. 7 Path generation
and tracking
results in mountainous terrain
时间/s
纵倾角/(°)
图 8 跟踪航行过程中纵倾指令及响应Fig. 8 Tracking longitudinal commands
and responses during navigation
30
2826242220181614121086深度/
m
距离/m
图 9 “山地”地形跟踪中探测点、仿射点及生成路径
Fig. 9 Detection points, affine points
and generated path in moun-tain terrain tracking
2024 年 4 月
水下无人系统学报
第 32 卷。