水雷战中AUV自主探测路径规划技术研究

水雷战中AUV自主探测路径规划技术研究

张晋斌

（中国船舶集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

摘 要：“自主反水雷作战”是利用AUV在无人反水雷作战中实现自动目标探测、分类，同时采集光学数据对目标进行识别。为实现这一设想，本文分析了无人反水雷作战任务的特点，并介绍了一种为实现自适应声纳探测所需要的AUV自主路径规划算法。

关键词：反水雷；AUV；路径规划

1引 言

水雷武器被喻为是新时期海上作战最高效的武器，它相对于其它海上作战武器具有杀伤力大、造价低、投放便捷等众多优点，一直受到各国海军的青睐。正因为水雷武器具有无可替代的巨大优势，所以各国海军都非常重视发展水雷战能力。

有矛必有盾，各国海军在发展水雷武器的同时，也极为重视反水雷作战装备和能力的建设。AUV正迅速地成为一种重要的反水雷手段。挪威皇家海军在AUV反水雷方面已有数年的应用经验。其水雷战舰队最初起用AUV的原因之一是应对艰巨的深海猎雷任务，不过AUV显然还可以用于其他情况下的反水雷作战。

由AUV来完成处理和规划，则可以在侦察阶段完成后立即进入识别阶段，但需要AUV完成以下几个步骤：声纳数据在线处理、在线自主目标识别和光学图像获取流程的在线路径规划。自主在线侦察及识别路径规划能够保证单个AUV单次作业即可完成水雷清除任务。

2自主路径规划原理及特点

在自主无人反水雷作战任务中，为了探测障碍以及测量到水底的距离，AUV的前段扇形扫描区域内安装了回声定位系统，系统包含各种数量的测距仪。在实际情况下，为了避免与障碍物相撞，AUV的机动仅限制在垂直面内，为了最低限度地避免水平面内与指定航迹的偏离，降低航行过程中水声信号的失真度。在大多数情况下能够确保成功避障。

利用AUV完成水域监测任务要进行以下操作：

1）覆盖航迹的预先规划，确保可利用随载探测装置对水底进行全面勘测；

2）按规划好的航迹探测；

3）如果无法继续按预定航迹航行（遭遇意外障碍），需要对环境进行评估；

4）绕开障碍（航迹矫正）或在无法绕开的情况下重新规划航迹。

绕开障碍的算法主要基于回声定位系统数据中大地形的各种近似法，主要针对的是自然环境中的作业，所以可能并不准确。因此，为了避开并绕行水底障碍，轻型AUV航迹优化以及后续执行的综合问题是非常实际和迫切的。。

3路径规划执行过程

3.1探测任务描述

航迹规划由AUV操作台完成，可选择手动模式（将几种原始线条组合形成航迹：矩形曲线、螺旋线、旋轮线）或自动模式。如果选择自动模式，就要用到专门的覆盖航迹规划算法。

算法的输入数据包含：初始覆盖区域和航线间距离如图1所示。在输出端形成AUV的覆盖航迹。也就是说，AUV经过所有的初始区域点（或是指定探测点）之后，来到随载探测装置的作用区域。

图1 区域覆盖的基本概念

初始覆盖区域属于二维度量空间，是一个多边形区域，且带有任意数量的多边形孔洞。多边形区域包含覆盖区域轮廓线的坐标，用平行的分段线性闭合曲线来记录。多边形孔洞也以同样方式记录，指定的子集排除于多边形区域集合之外。假定所有的多边形互不相交。合集确定了覆盖区域和导航水域。航线间距则由AUV操作员来设定，依据是AUV所携带的探测装置的作用距离以及空间密度的测量要求。

3.2 AUV路径规划过程

AUV中通过AIS、雷达、激光雷达等设备发现障碍物后，收集障碍物的相关运动信息以及航行环境信息，同时把所搜索得来的信息进行自主分析应对。根据得到的结果来判断AUV能否安全行驶通过。若根据结果，AUV能够无危险的驶过，则不实施任何避碰措施；如果不能顺利航行通过，此时，AUV就需要实施一定的规划措施，直至AUV绕过障碍物，当AUV复位到原来航向，该规划行为才算结束。

AUV在海上自主航行过程中，可能遇到的碰撞局面分为以下三种：对遇局面、追越局面和交叉相遇局面，其划分如图2所示。

图2 AUV与障碍物会遇态势

针对上述三种局面，国际海上避碰规则做出了规定，假设AUV当前艏向为，障碍物艏向为，AUV与障碍物艏向角度差为

以为标准划分三种碰撞局面：为追越局面；为交叉相遇局面；为正面相遇局面。

在海上，AUV与障碍物避障过程可分为如下部分：

（1）发现到障碍物，对相关的信息进行搜索，确定障碍物的运动状态；

（2）根据AUV信息及具体环境情况确定安全通过距离；

（3）确判断AUV是否需要实施避碰措施；

（4）确定采取行动的时机；

（5）确定规划行动的方式；

（6）复航。

在上述六个方面中，其中规划信息的收集和应对方面包括发现障碍物、搜集相关信息、确定障碍物的运动状态。AUV规划措施的决策部分取决于其他五个方面。

3.3 AUV规划算法

AUV在自主航行过程中，需要对可能发生的碰撞做出判断，并采取相应的规避措施，因此对碰撞局面的准确判断及如何遵守国际海上避碰规则，是AUV智能规避任务中重要组成部分。AUV本身具有高速性，对规避算法提出很高实时性要求，需要AUV感知到可能发生碰撞障碍物的同时，做出规避动作，以完成AUV危险规避。针对以上特点，本项目引入一种相对坐标系下动态规避算法，通过改变AUV的航速和航向来改变相对速度，以达到对障碍物的规避目的。

定义的碰撞模型如下图所示。图中，为AUV当前位置，以航速、艏向前进（在海洋环境中，AUV简化为一个点）。障碍物为半径，中心在点的圆形障碍物，以航速、艏向为前进。为与和合速度，方向为，与视线连线夹角为。

图3 碰撞模型图

把分解为沿视线方向分速度和垂直于方向分速度：

AUV到障碍物直线距离为，障碍物半径为，则安全角为

通过比较相对速度与视线夹角和安全角的相对关系，即可判定是否会发生碰撞，从而实现对AUV航线的自主规划目标。

4自主路径规划在反水雷作战中的应用

目前已有的各种型号无人系统，在民事上无人系统被广泛用于海监及救灾任务，在军事上，无人艇或水下无人系统将能够为我国海军提供超视距目标锁定，可在东海和南海执行情报、监视和侦察任务，在扩大覆盖范围和早期提供预警能力等。

未来的无人作战系统必须能与有人作战系统或其它无人作战系统无缝集成，同时无人作战系统必须拥有很强的自主行为能力，能够自主进行路径规划并实现自动反水雷探测和识别作业，以在动态的环境中独立或协作地完成复杂的任务。必须充分利用和发挥无人系统与有人系统的协同，能够充分利用有人平台的信息处理、协同组织和决策能力，无人平台的隐身性、长续航性、集群性等特点，进一步提升体系的协同态势感知能力及协同攻击能力，实现感知探测能力、分析决策能力、自主规划能力、协同打击能力的优化组合与配置，提升体系生存能力，增加作战胜利概率。

5结束语

随着舰载无人系统战场空间感知能力、高风险区域突防能力、通信导航支援能力、电子战能力、攻击能力和生存能力的发展，以及军事应用的迫切需求，包括AUV在内的无人系统将凭借其自主规划能力和其他作战能力的进一步提高，必将成为信息化作战体系中的重要组成部分，以及各中无人平台作为作战节点，获得实时的、融合的、逼真的战场信息，达到自主规划路径和探测目标，协同多平台实施打击的效果，必将在未来反水雷作战中发挥更为重要的作用。

参考文献

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