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无人海洋可控探测平台的智能观测技术

金久才  
【摘要】:无人海洋可控探测平台是指一类可控制、可扩展、运动的海洋传感器集成观测平台,其以脐带牵引、遥控、半自主和完全自主等不同方式运行,逐渐成为一种现阶段海洋观测的常用工具之一,也是未来支撑平台智能观测方式的一类重要载体。 目前无人海洋可控探测平台的应用,大部分还需要人工参与制定海洋观测的相关参数,如采样频率、间隔等。所以针对这类平台的智能观测策略,即如何将“被动观测”升级为“主动观测”,是制约其未来应用和提升其观测能力的重要因素。按平台数目简单区分,其智能观测可以划分为单平台的自适应观测和多平台的协作观测。目前,单平台的观测常常因测量覆盖面积小,而无法完成一些自主的观测任务。对于多平台的协作观测,无论是编队控制,还是协作测量,其相关理论的建立都是目前的热点和难点。 本文依托两种无人海洋可控探测平台——无人自动表面船和拖曳系统,开展其智能观测研究,主要包括无人自动表面船的研制,单拖曳系统与单自动表面船的自适应观测和多表面船的协作观测。本文的主要贡献如下, (1)研制了一套无人表面船水深测量系统(Unmanned Surface Bathymetry vehicle, USBv),作为本论文智能观测的基础研究平台之一。开展其水动力模型研究,通过与湖试、海试数据对比,验证了模型的直航、转弯运动特性。在此基础上,针对其矢量推进方式,完成了其自动控制功能,包括速度与航向反馈控制、位点跟踪,为其智能观测提供基础功能。 (2)单平台的自适应观测:基于拖曳系统的水动力模型,利用拖曳系统的定深和剖面运动数据,构建了拖曳系统的半分析(半解析)运动模型,并用于自适应等温层追踪研究;基于前面建立的USBv水动力模型,使用振荡运动方式,开展其自适应等深线追踪研究。 (3)多平台的协作观测:引入一种变速度的自推进粒子模型,通过设置航向和速度控制律,实现了沿轴向、沿运动方向和等距离沿运动方向的三种空间同步平行编队,并证明了相应控制律的收敛性,以此开展多表面船的协作编队。引用一种基于径向基函数回归观测场的方法,以平行编队方式开展多表面船的追踪水深极值区域的协作观测研究。


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