第一篇：無人艇避障研究總結(jié)
航行器海面避障研究
一． 歷史上海中航行器的導(dǎo)航方式 世紀(jì)，美國戰(zhàn)略潛艇導(dǎo)航技術(shù)一直發(fā)展，艦船慣性技術(shù)是在不斷滿足潛基導(dǎo)彈的射程和命中精度的要求及核潛艇的隱蔽性要求而不斷發(fā)展的。具有靈活性、隱蔽性,是發(fā)射彈道導(dǎo)彈的活動(dòng)基地。世紀(jì)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向。從總的發(fā)展趨勢看可以概括為:區(qū)域沖突多極化;軍隊(duì)綜合現(xiàn)代化;武器信息制導(dǎo)化。系統(tǒng)組合智能化;電子信息數(shù)字化;價(jià)格便宜小型化。操作可靠傻瓜化;測試手段現(xiàn)代化;維修維護(hù)模塊化。與露出水面獲取 GPS 定位點(diǎn)一樣, 用有源聲吶發(fā)射也會(huì)犧牲隱蔽性。但是利用聲吶的回波, 可得到非常重要的導(dǎo)航信息。
【我得總結(jié)】導(dǎo)航方式多種多樣，我國目前水平比較一般，跟在發(fā)達(dá)國家后面飛奔，但也是望塵莫及。導(dǎo)航精確確保航行器大方向準(zhǔn)確。在大方向正確的前提下，我來進(jìn)一步研究小范圍突發(fā)情況如何正確避讓等一系列動(dòng)作的合理實(shí)施。我國無人艇有一部分安裝國產(chǎn)北斗導(dǎo)航。
二． 海面海浪波動(dòng)探究
自然界中的海浪是一種相當(dāng)復(fù)雜不規(guī)則波動(dòng)現(xiàn)象。由于自然條件復(fù)雜 , 加上波浪運(yùn)動(dòng)本身的隨機(jī)性 , 到目前為止 , 有些實(shí)際問題不能單純用數(shù)學(xué)分析方法很好地解決;并且 , 由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等的限制 , 現(xiàn)場觀測也會(huì)遇到很多困難 , 甚至無法實(shí)現(xiàn)。只有按不規(guī)則波來研究海洋 , 才能正確地描述海浪。
【我得總結(jié)】海面波浪及其形式無法預(yù)知，隨機(jī)性很大。所以我決定對其進(jìn)行進(jìn)一步研究并且分類，逐一擊破。無人艇行駛在海面上，海水波浪是一個(gè)因素，暴風(fēng)雨一類天氣又是一類因素，除此之外，可能還有未知情況，待進(jìn)一步探究。
三． 針對海面無人艇避障方法探究（主要）
⊙ 避碰規(guī)劃是高速無人艇研究領(lǐng)域中的核心問題之一。高速無人艇的避碰規(guī)劃就是在特定的環(huán)境中給定初始位置和目標(biāo)位置,按照策略無碰的從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn),并滿足一定的附加條件,如路徑最短等。
⊙高速無人艇的避碰規(guī)劃可以分為2類:基于環(huán)境先驗(yàn)知識(shí)的全局規(guī)劃和基于傳感器信息的局部規(guī)劃。全局規(guī)劃不能滿足動(dòng)目標(biāo)避碰的要求,因?yàn)檎系K物很可能出現(xiàn)在規(guī)劃好的路徑上,這樣在高速無人艇的導(dǎo)航系統(tǒng)中,就需要基于傳感器(多波束前視聲納)信息以在線方式進(jìn)行的避碰規(guī)劃?！褵o人艇動(dòng)目標(biāo)避碰就是基于前視聲納的實(shí)時(shí)信息,屬于局部規(guī)劃范疇?！严伻核惴? 自然界的螞蟻群體是具有智能特點(diǎn)的,能夠通過群體所釋放出來的一種叫做信息素(pheromone)的物質(zhì),在沒有任何視覺線索的情況下找到從食物源到蟻穴的最短路徑。蟻群算法就是模擬自然界中真實(shí)蟻群的覓食行為而形成的一種模擬進(jìn)化算法,并且該算法有一個(gè)統(tǒng)一的框架結(jié)構(gòu)模型;其不僅具有很好的魯棒性(Robust),良好的正反饋特性,而且具有并行分布計(jì)算的特點(diǎn)。因此,可以運(yùn)用蟻群算法進(jìn)行避碰路徑的優(yōu)化搜索。
⊙在復(fù)雜的海洋環(huán)境中,一般情況下高速無人艇沿著全局路徑規(guī)劃器規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng),當(dāng)前視聲納測到障礙物,就需要啟動(dòng)局部避碰規(guī)劃器。局部規(guī)劃器首先在前視聲納視域范圍內(nèi)選定一個(gè)空間點(diǎn)作為局部規(guī)劃子目標(biāo),一般選擇聲納全局規(guī)劃的航程點(diǎn)作為規(guī)劃子目標(biāo)點(diǎn)。高速無人艇當(dāng)前的位置作為局部避碰規(guī)劃的起點(diǎn),避碰規(guī)劃就在該起點(diǎn)與規(guī)劃子目標(biāo)點(diǎn)之間進(jìn)行。
【我得疑問】前視探測器這里用的聲吶，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，用的是聲吶還是攝像頭？ ⊙路徑生成
現(xiàn)討論二維空間的避碰規(guī)劃問題。以避碰規(guī)劃的起點(diǎn)作為原點(diǎn),起點(diǎn)與規(guī)劃子目標(biāo)的連線作為x軸,建立直角坐標(biāo)系xOy。將起點(diǎn)(xO,yO)與規(guī)劃子目標(biāo)點(diǎn)(xG,yG)連線m等分,則每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可表示為(xi,yi),其中i=0~m。在每個(gè)等分點(diǎn)作x軸的垂線,就得到線段L1,L2，,Lm,再以x軸零點(diǎn)為起點(diǎn),將每條線段進(jìn)行n等分,每條垂線上就有n個(gè)點(diǎn)。在避障區(qū)域內(nèi),就有m，n個(gè)點(diǎn)
即:L1(x1,y1)L2(x2,y2)L3(x3,y3),L1(x1,yn), ,Lm(xm,y1)Lm(xm,y2)Lm(xm,y3),Lm(xm,yn)其中Li(xi,yi)表示第i條垂線上的第j點(diǎn),則從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑可以表示為:Path={O,L1(x1,yk1),L2(x2,yk2)，Lm1(xm1,yk(m1)),G}(ki=1,2，,n+1)避碰規(guī)劃問題就是使得由該路徑點(diǎn)序列組成的路徑滿足條件。由于不同路徑上的相應(yīng)位置的x的坐標(biāo)是相同的,所以每條路徑的區(qū)別僅僅在于相應(yīng)位置處的y坐標(biāo)不同。
【我得總結(jié)】以自我為中心，探測到障礙物后自動(dòng)規(guī)劃航向，簡言之繞過障礙物，這種“繞”過是實(shí)時(shí)檢測并且動(dòng)態(tài)計(jì)算的，計(jì)算通過一個(gè)方程式構(gòu)成，即上述公式，雖然難以讀懂，但不難理解。⊙目標(biāo)函數(shù) 討論的動(dòng)目標(biāo)避碰規(guī)劃路徑需要滿足3個(gè)約束條件:動(dòng)態(tài)避碰、保持航跡和路徑最短。由于避碰規(guī)劃區(qū)間較短,在避碰規(guī)劃周期內(nèi),假定動(dòng)態(tài)障礙物做勻速運(yùn)動(dòng),且速度可根據(jù)前視聲納探測的實(shí)時(shí)信息估計(jì)得到。高速無人艇保持當(dāng)前的航速不變,通過選擇不同的路徑點(diǎn)即調(diào)整高速無人艇的航向來避碰。避碰規(guī)劃區(qū)間內(nèi)高速無人艇的航跡由全局規(guī)劃器給出。
【我得總結(jié)】此類實(shí)驗(yàn)通過仿真可得出結(jié)論，目前對matlab了解不夠，對各種各樣的算法了解不精，是以后需要提高之處。
第二篇：CVM避障算法 翻譯
基于曲率速度的局部避障方法(草稿)
作者：Reid Simmons 翻譯：Luo Qijun 本文提出了一種新的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的局部避障方法，它將避障問題描述為速度空間的約束優(yōu)化問題。將速度和加速度的物理限制和障礙物分布的環(huán)境約束置于機(jī)器人的線速度和角速度上，機(jī)器人選擇滿足所有約束，并使得目標(biāo)函數(shù)最大化的速度指令，目標(biāo)函數(shù)折中考慮速度、安全性和目標(biāo)方向。這種方法的高效實(shí)時(shí)的應(yīng)用，已經(jīng)經(jīng)過廣泛測試，表明其在辦公室環(huán)境下可以可靠、平滑而快速的導(dǎo)航。這種避障方法可以作為更復(fù)雜導(dǎo)航行為的基礎(chǔ)，從簡單的漫游到基于地圖的導(dǎo)航都可以使用。
1，引言
局部避障算法針對 未知的 或 部分已知的環(huán)境。
（1）機(jī)器人應(yīng)該能夠安全的導(dǎo)航，即使面臨感知器的噪聲 和 航跡的錯(cuò)誤
（2）機(jī)器人應(yīng)該在試圖避障的同時(shí)趨向目標(biāo)；
（3）算法必須高效的運(yùn)算，以至于實(shí)時(shí)運(yùn)行于機(jī)器人主機(jī) 另外，有一些其他算法沒有考慮在內(nèi)的內(nèi)容：
（1）機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性應(yīng)該納入計(jì)算，使之能夠以高速運(yùn)動(dòng)于擁擠的環(huán)境中（2）算法應(yīng)該明確的盡量最大化機(jī)器人的前進(jìn)進(jìn)程（3）算法應(yīng)該同時(shí)控制機(jī)器人的方向和速度
我們的方法，CVM算法，針對上述的內(nèi)容。該算法的主要特點(diǎn)是它在機(jī)器人的速度空間操作，而不是Cartesian或者配置空間，它通過最大化目標(biāo)函數(shù)來選擇命令，用于綜合考慮車體安全性、速度和目標(biāo)導(dǎo)向性。這種方法認(rèn)為機(jī)器人能夠控制線速度和角速度，但是不能瞬間轉(zhuǎn)向。也就是說，它只能沿著圓弧走。滿足這種方式的機(jī)器人包括差動(dòng)機(jī)器人，差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，和多種 非完整車輛。然而 我們的論述忽略了加速度的影響，實(shí)際上，對于以步行速度運(yùn)行的室內(nèi)機(jī)器人來說，這是一個(gè)好的近似。
曲率速度算法通過在速度空間添加約束，并在此空間中選擇滿足所有約束并且最大化目標(biāo)函數(shù)的點(diǎn)進(jìn)行工作的。約束條件來源于機(jī)器人速度和加速度的物理限制，和表示障礙物分布的傳感器數(shù)據(jù)。后者（對于每個(gè)可能的曲率），用于表示機(jī)器人在撞上障礙物之前能運(yùn)行多遠(yuǎn)。
為了達(dá)到實(shí)時(shí)性能，到障礙物的曲線距離用一個(gè)分段函數(shù)來近似描述。這種近似將速度空間劃分為多個(gè)離散的區(qū)間，每個(gè)區(qū)間考慮一個(gè)確定的距離。該算法在各個(gè)區(qū)間中找到一個(gè)點(diǎn)，使目標(biāo)函數(shù)最大化。這個(gè)全面最大化的點(diǎn)用于操作機(jī)器人。幾個(gè)簡單的擴(kuò)展使該基本算法對于傳感器噪聲更具魯棒性，并減小了機(jī)器人陷入困境的可能性。在我們室內(nèi)機(jī)器人上的測試證明：它能在有人辦公室環(huán)境內(nèi)快速、平滑和安全行駛。相關(guān)工作
一些著名的局部避障通過計(jì)算機(jī)機(jī)器人將要朝向的方向進(jìn)行的，但是沒有將車體的動(dòng)態(tài)特性計(jì)算在內(nèi)。例如：勢場趨近法使用排斥和吸引特性的向量和來計(jì)算期望的機(jī)器人朝向。速度控制 通過按勢向量大小比例選擇速度來確定。在該算法基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的向量場直方圖方法，通過計(jì)算一個(gè)一維極性直方圖進(jìn)行的，處理該直方圖以檢測開放區(qū)域以便機(jī)器人行進(jìn)。在方向被選擇后，再根據(jù)到障礙物的距離按比例選擇機(jī)器人速度。雖然該方法可以產(chǎn)生平滑的軌跡并能同時(shí)處理窄、寬的開放處。就像勢場趨近法，它沒有把下列情況計(jì)算在內(nèi)：當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)沿著圓弧移動(dòng)，而不是沿著直線。在混亂復(fù)雜的環(huán)境中，它忽略了車輛的動(dòng)態(tài)特性，而這時(shí)很關(guān)鍵的。
那些引入車輛動(dòng)態(tài)特性和非完整約束計(jì)算的方法已經(jīng)在線下路徑規(guī)劃中作了研究[]，對于快速的局部避障來說，這些方法通常計(jì)算代價(jià)太高。
然而，最近報(bào)告了一些局部避障方法，通過選擇一些駕駛命令而不是行駛方向來引入車輛的動(dòng)力學(xué)特性。駕駛角度場算法，跟我們的算法類似，使用到障礙物的曲率正切 來約束一個(gè)連續(xù)的空間（在那個(gè)情況下的駕駛角度一維空間）。曲率和連接弧的距離，在駕駛角度范圍內(nèi)用于阻止行駛。該算法計(jì)算幾個(gè)距離閾值的約束，并試圖行駛到最自由的空間。速度控制是一個(gè)在駕駛者模塊和局部避障模塊間的迭代“商議、談判”過程，與此相反，在我們的算法中，速度和轉(zhuǎn)向弧度通過仿真選擇，速度空間的點(diǎn)使得目標(biāo)函數(shù)最大化。針對室內(nèi)高速導(dǎo)航，有一個(gè)類似的基于速度空間操作的算法，就有人作了更早但是獨(dú)立的研究。該算法針對受車輛動(dòng)力學(xué)約束的弧線的離散集合，并選擇其中一個(gè)最接近目標(biāo)方向，保證機(jī)器人不會(huì)在幾秒行駛范圍內(nèi)不會(huì)撞上障礙物。初始方法采用兩步趨近法來選擇曲率和速度；后來，他們研究出了一步選擇曲率和速度的算法[6]。針對室外導(dǎo)航，也有一種類似的的方法[7]。考慮了所有的車體動(dòng)力學(xué)，所以路徑不必是一個(gè)圓弧，為每條路徑計(jì)算一個(gè)可行度量，并選擇其中一個(gè)最好的結(jié)果。但是這些方法的問題在于：僅僅通過分析弧線的離散集合，好的路徑可能淹沒在碰撞中，并且不被考慮到。曲率速度法
我們描述局部避障問題為一個(gè)在機(jī)器人的速度空間內(nèi)的約束優(yōu)化問題。機(jī)器人的速度空間就是可控制速度的稽核。對于差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人來說，就像我們的機(jī)器人，速度空間包括線速度和角速度的正交空間。通過約束優(yōu)化，我們試圖使機(jī)器人選擇某個(gè)（tv, rv）對，使得目標(biāo)函數(shù)最大化，同時(shí)在允許的速度情況下滿足所有的約束。
用這種公式描述局部避障問題有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，通過在速度空間內(nèi)的計(jì)算，我們能夠同時(shí)控制機(jī)器人的速度和朝向，并得到一個(gè)直接產(chǎn)生命令用于控制機(jī)器人的解決方法。通過將此問題作為一個(gè)約束優(yōu)化問題，我們能夠很簡單地合并來自于環(huán)境和機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的約束條件，并能夠得到使速度和安全折中的描述（公式）（規(guī)則）。
首先，我們假設(shè)機(jī)器人總是沿著圓弧線行駛，該弧線曲率由c = rv/tv得到，正的曲率表示順時(shí)針的移動(dòng)。所以，速度空間中的每個(gè)點(diǎn)，對應(yīng)于笛卡爾空間中的約束曲率的運(yùn)動(dòng)。然而，這實(shí)際上是一種近似，如果考慮加速度的影響因素的話，如果在絕大所屬室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的相對較低速度和高加速度的情況下這些影響都被忽略。[6] 機(jī)器人的物理限制包括兩種類型的速度空間約束。一個(gè)是機(jī)器人有最大角速度和線速度：tv<=tv(max), tv>=-tv(max), rv<=rv(max), rv>=-rv(max).在我們的方案中，我們又加入了一個(gè)約束條件：tv〉=0，以此防止機(jī)器人的后退運(yùn)動(dòng)。角加速度和線加速度的限制，ra（max）和ta(max)構(gòu)成了另外一些約束。給定機(jī)器人當(dāng)前速度 rv(cur)和tv（cur），和時(shí)間間隔T(accel)(基于CVM算法周期來選擇)，我們再加入3個(gè)約束條件，這些條件給出了在下一時(shí)刻可達(dá)的速度：
考慮到安全原因，tv的明顯的其他約束沒有加入。我們試圖保證tv=0是速度空間中可以達(dá)到的部分。另外一個(gè)重要的約束源是由環(huán)境障礙物構(gòu)成的。我們可以按照如下方式將笛卡兒空間障礙物轉(zhuǎn)換為速度空間的約束：首先，轉(zhuǎn)化障礙物到配置空間，并且對所有曲率c,計(jì)算機(jī)器人在碰到障礙物obs可能行駛的距離dc(c,obs).然后定義每個(gè)障礙物在速度空間的距離函數(shù)：
給定障礙物集合OBS, 累積距離函數(shù)定義為：
最后，由于傳感器探測距離的限制（為了避免無限值的計(jì)算），我們修剪了函數(shù)D，利用某個(gè)限制距離L（3m, 在我們的實(shí)現(xiàn)中）
通常，計(jì)算障礙距離函數(shù)dc(c,obs)將會(huì)非常復(fù)雜，由于任意形狀的障礙物。為了解決此，我們將障礙物近似為圓形。這是一個(gè)有根據(jù)的接近，在給定傳感器輸入-聲納和激光測距儀的情況下。由于我們的機(jī)器人也是圓形，笛卡空間到配置空間的轉(zhuǎn)化僅僅通過機(jī)器人的半徑增加障礙物的半徑。現(xiàn)在，計(jì)算dc是直接進(jìn)行的。由于在原始位置的機(jī)器人面向y軸正半軸，給定曲率c在（xj,yj）與障礙物相交，我們可以得到：
給定這些物理的和環(huán)境的速度空間的約束，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來選擇機(jī)器人的命令。從第1節(jié)的要求中，可以清楚的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)會(huì)偏好更高的速度，在碰到障礙物前可以行駛更遠(yuǎn)距離的曲率，并且試圖使機(jī)器人面向期望的目標(biāo)方向。我們利用一個(gè)簡單的線性目標(biāo)函數(shù)來描述這些準(zhǔn)則，其中，每項(xiàng)都要在0和1間進(jìn)行歸一化：
速度項(xiàng)簡單地表明了對更快速運(yùn)行的偏好，而其他的則一般。距離項(xiàng)表明沿著給定曲率rv/tv無碰撞運(yùn)行更遠(yuǎn)的距離。朝向項(xiàng)是與目標(biāo)朝向的偏差，它對期望的目標(biāo)朝向的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間Tc后將要達(dá)到的朝向之間的區(qū)別作了解釋。
值表示每一項(xiàng)在目標(biāo)函數(shù)中的相關(guān)權(quán)重。利用目標(biāo)函數(shù)機(jī)器人可以展示不同的行為，這依賴于權(quán)重和障礙物分布，從為了避障急轉(zhuǎn)彎的減速到除了為了躲避同一障礙物而進(jìn)行提前轉(zhuǎn)向外的全速行駛。第6節(jié)展示了關(guān)于選擇權(quán)重值對算法敏感性的試驗(yàn)結(jié)果。
(在機(jī)器人局部坐標(biāo)內(nèi))和機(jī)器人如果以rv 實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)
在前述章節(jié)中描述的曲率速度法，滿足局部避障的所有準(zhǔn)則，除了他不是計(jì)算高效的外。計(jì)算Dlimit 是很困難的，即使在圓形障礙物的簡化假設(shè)條件下。另外，給定Dlimit的一個(gè)通用描述，函數(shù)f尋優(yōu)也是耗時(shí)的，即使使用如模擬退伙的近似技術(shù)。在這一節(jié)里，我們描述了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)以解決計(jì)算的相關(guān)問題。
利用一個(gè)區(qū)間的有限集合的近似Dlimit可以達(dá)到實(shí)時(shí)性能，這種區(qū)間是等距劃分的。這種曲率區(qū)間集合，通過使用障礙物的切線曲率，將速度空間劃分為常量距離的區(qū)間，進(jìn)而劃分那些重疊區(qū)域，以使 與區(qū)間對應(yīng)的距離是所有重疊區(qū)域中的最小距離。最小和最大速度、加速度約束加入到這個(gè)空間，并且，對于每個(gè)曲率區(qū)間，求出在約束上限的最高點(diǎn)（因?yàn)槭鼓繕?biāo)函數(shù)最大化的點(diǎn)必在上限邊界處）。機(jī)器人在所有曲率區(qū)間中選擇使目標(biāo)函數(shù)最大化的命令。
我們通過速度距離函數(shù)dv來計(jì)算Dlimit。需要注意的是 對于一個(gè)給定的障礙物obs，dc(c, obs)在障礙物曲率切線區(qū)外是無限大的。所以，我們僅僅需要考慮Cmin和Cmax之間的那些曲率：
交點(diǎn)（用于計(jì)算dc）是:
注意：公式6沒有定義 障礙物圓覆蓋的區(qū)域
。因?yàn)?，在?shí)際中，障礙物和機(jī)器人是不可能占據(jù)同一位置的，這僅僅會(huì)在傳感器噪聲或者確定障礙時(shí)的圓形近似的情況下產(chǎn)生。另外一種方式，我們通過定義半徑robs為
（這里e設(shè)置為1厘米）來處理這樣一個(gè)障礙物。那么我們就可以使用公式6來計(jì)算所有障礙物的最小最大曲率。
給定切線曲率，第一個(gè)近似（接下來將被精確計(jì)算）是將dv置為最大至最小曲率間的常量：
每個(gè)確定的距離將產(chǎn)生一個(gè)障礙物區(qū)間的集合。為了計(jì)算Dlimit的精確確定近似值，我們通過分裂重疊障礙物區(qū)間和用更大的聯(lián)合距離去除重疊片找到了障礙物區(qū)間的最小合并。針對此的一個(gè)有效算法使用了一種曲率區(qū)間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(
最小合并算法從曲率區(qū)間個(gè)新的曲率區(qū)間：
開始，對于每個(gè)障礙物，用一對切線曲率與其關(guān)聯(lián)距離算法組成一，根據(jù)該區(qū)間與已存在區(qū)間的關(guān)系，修改該區(qū)間
將切線曲率間的距離函數(shù)近似為常量，不是很合適的，因?yàn)閐v實(shí)際上是完全非線性的。在某些情況下，這種近似太過保守，特別是在兩個(gè)切線曲率的距離值是非常不同的。更重要的是，這種近似常常太過自由主義，實(shí)際最小值可能比每個(gè)切線曲率距離都要小。
為了修正這些問題，我們精煉dv的近似為一個(gè)分段常量。思想為：將區(qū)間
分裂為多個(gè)區(qū)間，對每個(gè)區(qū)間計(jì)算出一個(gè)常量距離值，然后使用上述描述的最小合并算法來近似全部的Dlimit函數(shù)。我們的方法是要選擇障礙物圓上離原點(diǎn)直線距離最近的一個(gè)點(diǎn)，并從該點(diǎn)開始把障礙物劃分為四個(gè)象限。為最小和最大切線曲率的鄰近點(diǎn)，定義曲率區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的距離值設(shè)為兩個(gè)端點(diǎn)曲率的最小值。
為了使目標(biāo)函數(shù)最大化，我們注意到：每個(gè)曲率區(qū)間提供了速度空間的一對線性不等式。在上述章節(jié)中描述的速度和加速度約束也是一些線性不等式。因此，我們有了一個(gè)線性不等式稽核和一個(gè)線性目標(biāo)函數(shù)---一種通常容易求解的形式。然而，在我們的問題里，有一個(gè)附加問題的附加結(jié)構(gòu)，它會(huì)使的計(jì)算更加簡化：因?yàn)榍示€對間的距離值是常量，目標(biāo)函數(shù)對于tv是單調(diào)遞增的，對于每個(gè)曲率區(qū)間的函數(shù)優(yōu)化值，存在于約束線的邊界上。這導(dǎo)向了一個(gè)非常高效的算法：對于每個(gè)曲率區(qū)間，在每個(gè)關(guān)聯(lián)約束的上邊界的頂點(diǎn)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，并在所有曲率區(qū)間中選擇全局最優(yōu)值（利用一個(gè)小的擴(kuò)張：我們也需要在朝向誤差dthata是零，時(shí)，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)）擴(kuò)展
在前述兩節(jié)中描述的曲率速度法，有一些實(shí)際問題。首先，由于傳感器噪聲，障礙物可能不是很精確，他們可能在內(nèi)部顯現(xiàn)。因此，我們可能要讓機(jī)器人與障礙物保持接近，并使之減速，如果不能在他們旁邊行駛的話。第二，雖然目標(biāo)函數(shù)通常能夠很好的獲得趨向目標(biāo)方向并且躲避障礙物行為，有兩種情況不能很好的工作：當(dāng)所有的選擇都一樣糟糕時(shí)，表示機(jī)器人被掛住，和當(dāng)機(jī)器人離目標(biāo)方向很遠(yuǎn)時(shí)。在這一節(jié)內(nèi)容里，我們描述基本曲率速度算法的簡單的擴(kuò)充，以解決上述每個(gè)問題。一個(gè)簡單的擴(kuò)充，幫助補(bǔ)償傳感器噪聲，它使用一個(gè)安全區(qū)來生長障礙物。我們使用一個(gè)相對小的安全區(qū)（5cm）,因?yàn)榘踩珔^(qū)的大小與機(jī)器人可通過開放區(qū)間寬窄成反比例的。安全區(qū)太大，機(jī)器人通過房間門和在擁擠的走廊里經(jīng)過人群會(huì)有困難。
另外一個(gè)擴(kuò)充，文獻(xiàn)3，6提出，幫助機(jī)器人保持遠(yuǎn)離障礙物（或者，至少，使它更小心，當(dāng)從障礙物邊行駛時(shí)），它添加了一個(gè)最大的可允許的線速度，該速度與到障礙物距離成比例。特別是，對于每個(gè)曲率區(qū)間,我們約束最大線速度tv<=d/Timp, 以致機(jī)器人能夠行使至少Timp秒，在碰到障礙物前。
對于一些曲率區(qū)間，距離d 比極點(diǎn) ,中的一個(gè)或兩個(gè)都大，表示機(jī)器人將擦邊障礙物經(jīng)過，如果它沿著此極點(diǎn)曲率行駛的話。（例如，d1,
我們通過首先計(jì)算遠(yuǎn)離障礙物S的曲率，它在距離d正切于曲率c，來確定這個(gè)約束:
然后，我們添加約束，線速度減低到由點(diǎn)（）組成的直線下。
這就確保機(jī)器人將不會(huì)全速行駛，除非它保留與障礙物至少距離S經(jīng)過。一個(gè)類似的約束，使用公式9中的r+S，針對曲率區(qū)間的下界被加入。
有時(shí)候，使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的值使其機(jī)器人行駛很慢，或者完全不動(dòng)。這常常發(fā)生，例如，當(dāng)機(jī)器人在三面被障礙物包圍而它的目標(biāo)朝向就在正前方，就在障礙物區(qū)域。為了處理這一情況，我們采用了原地轉(zhuǎn)身算法，機(jī)器人原定不動(dòng)并且作旋轉(zhuǎn)直到最好的角速度命令為零。這將允許機(jī)器人終于看到前方開放的區(qū)間并且向前移動(dòng)，足夠使其移動(dòng)到距離陷阱外。
最后一個(gè)擴(kuò)充，目標(biāo)函數(shù)權(quán)重參數(shù)的選擇，是必要的。選擇的權(quán)重工作良好，當(dāng)機(jī)器人面向目標(biāo)方向很近時(shí)（在正負(fù)60度以內(nèi)），但是當(dāng)它面向相反方向時(shí)卻效果很差。在這種情況下，我們要強(qiáng)烈鼓勵(lì)機(jī)器人開始轉(zhuǎn)動(dòng)，從而面向目標(biāo)方向。我們通過增加朝向項(xiàng)的權(quán)重來實(shí)現(xiàn)，該權(quán)重正比于機(jī)器人離目標(biāo)方向的大小。
特別是，我們用
代替目標(biāo)函數(shù)中的。下一節(jié)，討論各參數(shù)值對算法的靈敏性。試驗(yàn)結(jié)果
CVM算法已經(jīng)在在Xavier移動(dòng)機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)和測試。Xavier是一個(gè)四輪同步驅(qū)動(dòng)底盤的機(jī)器人，由RWI制造，可以獨(dú)立控制其線速度和角速度。他使用一圈24個(gè)聲納傳感器（1-2Hz）和一個(gè)30度激光測距儀（5-10Hz）。聲納和激光數(shù)據(jù)組合起來并采用一個(gè)簡單的20cm精度histogram grid 文獻(xiàn)[2]。
底盤得到8 Hz的航跡推算信息，cvm算法也以此速度運(yùn)行。但接受到一個(gè)新的數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，每一個(gè)被占的格子單元被轉(zhuǎn)化為自身局部坐標(biāo)并處理產(chǎn)生曲率約束。一般有15-30個(gè)障礙物，產(chǎn)后10-15個(gè)不同的曲率區(qū)間（由于曲率區(qū)間重疊，區(qū)間數(shù)小于障礙物數(shù)）。相應(yīng)的速度約束被添加進(jìn)去，最優(yōu)的（tv，rv）發(fā)給底盤計(jì)算機(jī)。算法（包括感知數(shù)據(jù)處理）運(yùn)行于在66MHz主頻的486計(jì)算機(jī)上，大概耗時(shí)12毫秒。
CVM依賴一些參數(shù)，特別是目標(biāo)函數(shù)中的。為了確定這些參數(shù)對算法的靈敏度，我們在仿真環(huán)境下做一個(gè)一系列測試。環(huán)境被設(shè)置為測試算法的逃離局部最優(yōu)和避障趨向目標(biāo)的能力。每次開始機(jī)器人在一個(gè)點(diǎn)和給定方向，并向前直線運(yùn)行，當(dāng)機(jī)器人越過虛線時(shí)結(jié)束。
改變參數(shù)完成了一些列路徑?；谕瓿陕窂降钠骄鶗r(shí)間，我們總結(jié)出算法對于目標(biāo)朝向權(quán)重參數(shù) a3的相對值比較敏感，而對a1, a2的相對值不敏感。如果a3置為0，a3/(a1+a2)的值大于15%的話，算法進(jìn)展緩慢（機(jī)器人常陷入局部陷阱）。在此范圍內(nèi)，每個(gè)路徑中的標(biāo)準(zhǔn)差比 其值和最優(yōu)設(shè)置的值的差 一般較大，但是在a1>a2時(shí)平均稍大。
改變a4執(zhí)行類似的路徑，額外的權(quán)值鼓勵(lì)機(jī)器人在遠(yuǎn)離前進(jìn)運(yùn)行。結(jié)果顯示CVM是相對不敏感的，對于a4>0但小于3（此時(shí)，機(jī)器人又容易陷入局部）。最優(yōu)好的設(shè)置是a1=0.6, a2 = 0.3, a3 =0.1 a4=1.0(平均完成時(shí)間67.5s, 標(biāo)準(zhǔn)10.2s), 該設(shè)置用于圖8的顯示結(jié)果。
圖9為Xavier的不同運(yùn)行軌跡。為更好的強(qiáng)調(diào)差別，圖中，障礙物（2個(gè)盒子，一個(gè)圓的垃圾罐，一個(gè)消防門）用機(jī)器人半徑進(jìn)行了生長，而機(jī)器人為一個(gè)點(diǎn)。在每種情況下，機(jī)器人從圖上方開始，面向底部，且要求其轉(zhuǎn)90度面向左側(cè)。每種情況下，機(jī)器人必須環(huán)繞圍墻并導(dǎo)航繞過三個(gè)離散的障礙物。我們在30，45，60cm/s的速度行駛對CVM算法與60cm/s運(yùn)行的勢場法進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，CVM較勢場法產(chǎn)生更為顯著的平滑軌跡。另外，在更高速度下，機(jī)器人保持離障礙物更遠(yuǎn)，而且路徑較為平滑。這主要?dú)w結(jié)與 “靠近障礙物”約束在高速情況更加重要，這使機(jī)器人較早對目標(biāo)做出響應(yīng)。
局部避障算法供幾個(gè)更高級別的行為使用。“漫游”通過設(shè)置機(jī)器人局部目標(biāo)朝向?yàn)?，這偏向是機(jī)器人持續(xù)沿著當(dāng)前方向行駛?！俺蚍较颉毙袨橥ㄟ^設(shè)置為當(dāng)前機(jī)器人朝向和目標(biāo)方向的差值來實(shí)現(xiàn)。最后，為機(jī)器人朝向到局部目標(biāo)點(diǎn)的角“朝向目標(biāo)”行為通過變換全局目標(biāo)位置到機(jī)器人坐標(biāo)框架，并且設(shè)置度 來實(shí)現(xiàn)。對于最后那個(gè)行為，我們需要一個(gè)附加的擴(kuò)充：如果目標(biāo)點(diǎn)在曲率區(qū)間內(nèi)，其相關(guān)距離較到目標(biāo)點(diǎn)的直線距離小，那么目標(biāo)朝向項(xiàng)的權(quán)重被設(shè)置為很高以強(qiáng)烈鼓勵(lì)機(jī)器人瞄向目標(biāo)行駛。
這些行為，逐個(gè)構(gòu)成基于地圖導(dǎo)航規(guī)劃的基礎(chǔ)[文獻(xiàn)10，11]。最后系統(tǒng)展示出在人類辦公室、走廊環(huán)境下的可靠、快速導(dǎo)航。討論
我們描述了針對局部避障的曲率速度算法，它將此問題視為機(jī)器人速度空間的約束優(yōu)化問題。這種描述的優(yōu)點(diǎn)包括 同時(shí)控制速度和機(jī)器人朝向的能力，合成環(huán)境和機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、以及處理速度、安全和目標(biāo)朝向的平衡能力約束的簡化。
CVM實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性能，通過近似化機(jī)器人在碰到障礙物前能夠行駛多遠(yuǎn)的弧線距離來實(shí)現(xiàn)。近似處理是一個(gè)分段常量函數(shù)，由到障礙物切線曲率來定義。附加的速度約束被加入，在機(jī)器人物理限制和保持遠(yuǎn)離障礙物的期望的基礎(chǔ)上，或者至少慢速行駛當(dāng)接近障礙物時(shí)。
該方法已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，并且在Xavier上進(jìn)行了測試，Xavier是一個(gè)差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人（它可以使用差分驅(qū)動(dòng)車，并且是沿圓弧行駛的非完整約束車輛。）實(shí)現(xiàn)是高校的，并能使機(jī)器人在人員辦公室環(huán)境下達(dá)到60CM/s的速度行駛。速度限制的原因，在于聲納傳感器的速率（激光視場范圍限制阻礙它成為障礙物檢測的主要傳感器）。通過提高傳感器的檢測周期，我們希望達(dá)到一米每秒（travel）。
基于該算法的下一步工作包括：找到更好的距離函數(shù)的近似方法，嘗試更精煉的目標(biāo)函數(shù)。我們也要致力于擴(kuò)展以曲率為基礎(chǔ)的速度空間算法來進(jìn)行多步導(dǎo)航規(guī)劃問題。
本文展示了通過考慮測量動(dòng)力學(xué)，和使平衡速度、安全和目標(biāo)趨向的目標(biāo)函數(shù)最大化，我們可以創(chuàng)造一種高效的、實(shí)時(shí)的局部避障算法，用于在布滿障礙物的環(huán)境中產(chǎn)生安全、平滑、快速的軌跡。
第三篇：全自主無人艇下水首航
1月20日上午，由我校自動(dòng)化學(xué)院、廣東工研院聯(lián)合組織的“全自主無人艇關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”研發(fā)的HUSTER-68型無人艇和HUSTER-12s型無人艇編隊(duì)首航儀式在東莞市松山湖舉行。
中國工程院朱英富院士、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事長李培根院士等6位院士，我校黨委書記邵新宇，哈工大、西安交大、上海大學(xué)等專家學(xué)者，廣東省科技廳、東莞市科技局以及我校相關(guān)職能部門、院系、廣東工研院專家等近百位嘉賓共同見證這一重要時(shí)刻。
團(tuán)隊(duì)首席顧問、朱英富院士宣布首航儀式正式開始。散落在湖面的5艘HUSTER-12s型無人艇快速實(shí)現(xiàn)從無序到有序的編隊(duì)，最初排成“十”字型編隊(duì)，慶賀廣東華中科技大學(xué)工研院建院十周年。接著，為了通過狹小水域通道，“十”字型編隊(duì)迅速切換成了“一”字編隊(duì)。在巡邏過程中，編隊(duì)自主發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，一”字編隊(duì)自發(fā)切換成圓形編隊(duì)，對目標(biāo)實(shí)施圍捕。圍捕任務(wù)完成后編隊(duì)自動(dòng)返回預(yù)先指定區(qū)域。接著登場的是面向高機(jī)動(dòng)近海勘測巡邏的HUSTER-68型無人艇，偵察指令發(fā)出以后，HUSTER-68艇遠(yuǎn)程啟動(dòng)，進(jìn)入全自主工作模式，加速駛離港口，在線規(guī)劃航跡，駛向目標(biāo)島嶼，進(jìn)行環(huán)島勘測巡邏，并將指定水域偵查結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸回監(jiān)測基站。環(huán)島一圈以后，任務(wù)結(jié)束，HUSTER-68自動(dòng)返回港口附近停泊并進(jìn)入待命狀態(tài)。
全自主無人艇是維護(hù)國家海洋權(quán)益、管控國家水域資源的使能工具，體現(xiàn)了國家藍(lán)海戰(zhàn)略與意志。世界各發(fā)達(dá)國家將無人艇列為無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖的戰(zhàn)略核心技術(shù)。早在2014年，朱英富院士就提出了研發(fā)全自主無人艇及其編隊(duì)裝備、打破國外技術(shù)壟斷，搶占技術(shù)至高點(diǎn)的構(gòu)想。在朱英富積極倡導(dǎo)和直接指導(dǎo)下，我校自動(dòng)化學(xué)院整合了學(xué)院在計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算智能、群體智能、運(yùn)動(dòng)控制、電力電子等多個(gè)優(yōu)勢學(xué)科方向的教師，形成了一支由“千人計(jì)劃”“杰青”“長江學(xué)者”“萬人領(lǐng)軍”“優(yōu)青““青拔”等高層次人才組成的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。依托我校廣東工研院，在“珠江人才計(jì)劃”大力支持下，自2016年以來，團(tuán)隊(duì)先后克服了“看不清”“識(shí)別慢”“走不直”“顛簸大”“易掉隊(duì)”等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜水域環(huán)境場景解析與目標(biāo)實(shí)時(shí)識(shí)別、無人艇智能控制、自主導(dǎo)航與避障、無人艇機(jī)構(gòu)綜合、無人艇編隊(duì)構(gòu)型調(diào)控技術(shù)和無人艇群集協(xié)同作業(yè)等突破性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)涌現(xiàn)出2017年全球高引科學(xué)家一名，成果入選Nature Physics研究亮點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)的研究成果對于提高我國海洋裝備制造水平，實(shí)現(xiàn)藍(lán)海戰(zhàn)略具有重大意義。
首航儀式由自動(dòng)化學(xué)院教育部青年長江學(xué)者張海濤教授主持。自動(dòng)化學(xué)院院長曹治國介紹了研究過程與成果，廣東省科技廳基礎(chǔ)處鐘自然調(diào)研員代表廣東省科技廳致辭祝賀?！豆饷魅請?bào)》《南方日報(bào)》等媒體予以關(guān)注。
第四篇：無人水面艇的作戰(zhàn)使命和關(guān)鍵技術(shù)
第三屆無人機(jī)大會(huì)征文
無人水面艇的作戰(zhàn)使命和關(guān)鍵技術(shù)
徐
舸
李全國
海軍信息戰(zhàn)研究教育中心，南京 211800
摘 要平流層無人飛艇可以執(zhí)行預(yù)警探測、通信中繼、導(dǎo)彈防御和電子對抗等作戰(zhàn)使命，能最大程度地發(fā)揮武器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息化能力，是信息化條件下理想的海上作戰(zhàn)平臺(tái)。平流層無人飛艇主要發(fā)展先進(jìn)的艇身材料技術(shù)、再生燃料電池技術(shù)、雷達(dá)天線集成技術(shù)和超低能發(fā)射/接收模塊。平流層無人飛艇發(fā)展前景看好。，但仍有許多技術(shù)難題等待解決。
關(guān)鍵詞 無人 水面艇 作戰(zhàn)使命 關(guān)鍵技術(shù)
近年來，無人戰(zhàn)車、無人戰(zhàn)機(jī)風(fēng)頭頻出，無人艦艇卻鮮有人知。實(shí)際上，各國海軍在后者的研發(fā)上同樣投入了很大精力。如美國海軍的“斯巴達(dá)偵察兵”、“海狐”和“貓頭鷹”系列無人水面艇，以色列海軍的“保護(hù)者”和“銀槍魚”無人遙控巡邏艇，法國Sirehna公司開發(fā)的Rodeur無人水面船等。美國還制定了專門的《海軍無人水面艇主計(jì)劃》，作為美國海軍無人艇發(fā)展的指南。
無人艇的研發(fā)較無人機(jī)落后的原因，一是無人艇面對的環(huán)境更復(fù)雜。一般來說，無人機(jī)的巡航高度為幾千米，飛行過程中的大氣環(huán)境相對平穩(wěn)。而無人艇則不一樣，海浪不斷地拍打，光線在水面反射造成的干擾以及近海較多的障礙物都會(huì)對傳感器形成很大影響。二是在于海上目標(biāo)一般距離較近，而諸如激光、紅外等傳感器的優(yōu)勢在于探測較遠(yuǎn)的目標(biāo)，這又對無人艇傳感系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性提出更大的挑戰(zhàn)。無人水面艇的作戰(zhàn)使命
同其他無人平臺(tái)一樣，無人水面艇主要用于執(zhí)行特別危險(xiǎn)、特別枯燥以及其他不適于有人艦船執(zhí)行的任務(wù)。目前無人水面艇的發(fā)展主要側(cè)重于軍事應(yīng)用，通過配備先進(jìn)的指揮控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及武器系統(tǒng)，無人水面艇可廣泛執(zhí)行掃雷、反潛、信息作戰(zhàn)、偵察監(jiān)視、目標(biāo)指示、通信中繼和反恐攻擊等任務(wù)。
1.1 反水雷戰(zhàn)
無人水面艇可用于淺海和極淺水域的水雷偵察和掃雷行動(dòng)。這種無入水面艇采用兩臺(tái)柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)噴水推進(jìn)器，在平靜水面可獲得37節(jié)的最高航速，可連續(xù)工作6—7小時(shí)，其負(fù)載能力可達(dá)2噸左右。它將主要搭載在兩棲艦艇上，成為海軍未來制式反水雷裝備的一部分。如美國洛克希德·馬丁公司開發(fā)的遙控滅雷系統(tǒng)（Remote Minehunting System，RMS）是一種裝備在水面艦艇上的高續(xù)航力、半潛式無人系統(tǒng)，拖曳一套水下聲納系統(tǒng)，可執(zhí)行水雷探測與分類任務(wù)。由于是半潛式，RMS有些時(shí)候被認(rèn)為是無人潛航器。美國海軍已經(jīng)采購6套R(shí)MS系統(tǒng)，裝備于6艘“伯克”級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上。
另外，RMS系統(tǒng)還裝備在美國海軍的瀕海戰(zhàn)斗艦上。如配備反水雷模塊的“斯巴達(dá)偵察兵”無 人水面艇以11米長的剛性充氣艇為基礎(chǔ)，執(zhí)行遠(yuǎn)程施放、拖曳、回收獵雷聲納；清查航道，提供海底圖像的細(xì)節(jié)；將視頻圖像和聲吶數(shù)據(jù)傳給反水雷艦，為反水雷艦艇進(jìn)出港口提供港口護(hù)衛(wèi)；以遙控或半自主的模式作業(yè)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞出去。反水雷模塊除可配備獵雷聲納之外，還可換裝側(cè)掃聲納。模塊還可經(jīng)過擴(kuò)展，配備掃雷設(shè)備，如在兩個(gè)滑撬上安裝聲掃和一種開環(huán)磁掃設(shè)備。承擔(dān)掃雷任務(wù)的“斯巴達(dá)偵察兵”無人水面艇安裝燃?xì)廨啓C(jī)，以提供掃雷所需的動(dòng)力。使用反水雷模塊的“斯巴達(dá)偵察兵”無人水面艇最高航速為20節(jié)，可在任務(wù)海面持續(xù)作業(yè)6小時(shí)。
1.2 反潛作戰(zhàn)
研制無人水面艇的目的是通過派遣這種無人艇最大限度的擴(kuò)展海軍探測敵方潛艇的能力，這種無人艇利用聲納來探測可能隱藏在海軍艦船或商船周圍的潛艇。美國海軍希望能夠擁有32艘這種無人艇，每艘無人艇配置先進(jìn)的指揮和控制系統(tǒng)，裝備先進(jìn)的聲納探測任務(wù)模塊。該任務(wù)模塊將包括單基地聲納或拖曳陣聲納、吊放式聲納、聲納浮標(biāo)以及其他聲學(xué)設(shè)備作為載荷，執(zhí)行反潛戰(zhàn)任務(wù)。
近海戰(zhàn)斗艦上的反潛戰(zhàn)水面無人艇可以執(zhí)行海上防御，通道保護(hù)，港口偵查以及保護(hù)海軍水面戰(zhàn)斗群的反潛任務(wù)等。
由于法國參與了反潛型“斯巴達(dá)偵察兵”無人水面艇的研制，法國國防采辦局已授命泰利斯水下系統(tǒng)公司向美國提供包括吊放聲納及其絞車、核生化探測設(shè)備和避碰聲納的設(shè)備。反潛型“斯巴達(dá)偵察兵”無人水面艇可能裝備于法國和意大利聯(lián)合研制的FREMM級多功能護(hù)衛(wèi)艦上。
1.3 支持水面艦艇作戰(zhàn)
無人水面艇通過作戰(zhàn)實(shí)踐，可以為海上艦艇提供保護(hù)，以及在非對稱戰(zhàn)斗中應(yīng)對小型艦艇的威脅。作為一種低成本多功能產(chǎn)品，無人水面艦艇在網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)境中提升了傳感覆蓋，并允許快速建立海戰(zhàn)場空間優(yōu)勢，且降低了不必要的人員及海軍艦艇的傷亡風(fēng)險(xiǎn)。美軍目前正在發(fā)展一項(xiàng)計(jì)劃，以加快向美海軍艦隊(duì)部署“斯巴達(dá)偵察兵”無人艦艇系統(tǒng)，以加強(qiáng)部隊(duì)的自我保護(hù)作戰(zhàn)能力，并且在作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)中成功驗(yàn)證了其情報(bào)、偵察和搜索能力，以作為艦載保護(hù)系統(tǒng)項(xiàng)目的一部分。
由于無人水面艇是用特殊材料制成的，難以被敵發(fā)現(xiàn)，行動(dòng)隱蔽，不易遭敵攻擊?？梢栽跓o人水面艇上安裝高能炸藥（或加裝遙控武器），制成海上無人攻擊艇，在條件允許的情況下，選擇有利時(shí)機(jī)，摧毀敵海上作戰(zhàn)平臺(tái)。
1.4 支持特種部隊(duì)作戰(zhàn)
無人水面艇支持特種部隊(duì)作戰(zhàn)，被用于執(zhí)行打擊海盜和恐怖分子的任務(wù)。
無人水面艇由其他空中平臺(tái)和水面艦艇進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，它們可以成為水面艦隊(duì)的耳目，同樣也能保衛(wèi)港口和船塢。無人水面艇將大大降低部隊(duì)人員執(zhí)行任務(wù)時(shí)所冒的風(fēng)險(xiǎn)，可以使部隊(duì)更有效地完成任務(wù)，無人水面艇還能執(zhí)行一些載人艦艇無法完成的任務(wù)，可以用于水面反恐行動(dòng)。它以新型低成本武器系統(tǒng)拓展海上巡邏區(qū)域，為艦隊(duì)提供反恐怖偷襲的防御能力。
在美國海軍的無人水面艇研究中，支持特種部隊(duì)作戰(zhàn)是其重要使命。如美國海軍“斯巴達(dá)偵察兵”無人水面艇可用于水文調(diào)查或其它偵察和欺騙任務(wù)。該艇可以配備“海爾法”等導(dǎo)彈進(jìn)行精確打擊，協(xié)助特種部隊(duì)在內(nèi)陸湖泊地帶作戰(zhàn)。由于“海爾法”是一種發(fā)射后不管的導(dǎo)彈，特別適合裝備于探測跟蹤能力相對較差的無人水面艇?！昂柗ā钡暮＼娦椭丶s45千克，長度不足兩米，一艘“斯巴達(dá)偵察兵”可以攜帶數(shù)枚這種導(dǎo)彈?！昂Ｉ蠑r截者”無人水面艇，其任務(wù)包括安全保衛(wèi)和公眾服務(wù)，可用于反海盜巡邏、港口保安和海上油井監(jiān)控。除了用于中東和索馬里地區(qū)之外，該艇還 可以保護(hù)“濱水區(qū)設(shè)施??海水淡化工廠和能源設(shè)施”。此外“海上攔截者”可通過多種手段部署，能利用艦艇和直升機(jī)部署，還可依靠降落傘空投，可到“地球任意角落”執(zhí)行任務(wù)?！昂Ｉ蠑r截者”沒有裝備武器，但可以追逐或是撞擊海盜船，也可裝備超聲波發(fā)射器、強(qiáng)光燈、激光炫目裝置和水炮等非致命武器，執(zhí)行非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)。美海軍另外一種比較有特點(diǎn)的無人水面艇就是“海狐”，也是在剛性充氣艇的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，可用于蛙人探測（淺海作戰(zhàn)時(shí)防止蛙人襲擊被美國海軍當(dāng)作兵力保護(hù)的重要內(nèi)容）、核生化武器探測、ISR和搜救。
1.5 支持海上信息作戰(zhàn)
無人水面艇可以拓展艦載信息對抗設(shè)備（系統(tǒng)）戰(zhàn)斗使用的領(lǐng)域，提高艦艇信息對抗能力，提高海上艦艇編隊(duì)綜合作戰(zhàn)能力。如電子偵察、目標(biāo)指示，水面艦艇雷達(dá)觀察的距離較近，制約了艦載導(dǎo)彈威力的發(fā)揮。使用無人水面艇，采用無源定位引導(dǎo)導(dǎo)彈超視距攻擊的方法，可提高艦載導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。電子干擾，利用無人水面艇隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，攜帶大功率干擾設(shè)備，抵近敵信息平臺(tái)，采取無源或者有源干擾等多種手段，干擾其通信鏈路和雷達(dá)波束，成本低廉，使用方便，可以獲得較好的干擾效果。除此之外，無人水面艇還能擔(dān)負(fù)戰(zhàn)場觀察、通信中繼、海上反輻射攻擊等多種作戰(zhàn)任務(wù)。發(fā)揮通信中繼的功能，無人水面艇能夠向飛機(jī)、艦艇和潛艇傳輸通訊信號(hào)。無人水面艇的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 自主航行技術(shù)
無人水面艇通過它的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主航行。它的控制系統(tǒng)裝有激光雷達(dá)、K／A頻段雷達(dá)和360度寬視野立體光學(xué)系統(tǒng)各一部，依靠GPS導(dǎo)航，在執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)可配備側(cè)翼掃描聲納，設(shè)計(jì)人員還計(jì)劃為它加裝紅外傳感器。在實(shí)際戰(zhàn)斗任務(wù)中，眾多探測設(shè)備足以形成一幀幀清晰的圖像，這樣操作員就可以根據(jù)情況準(zhǔn)確操作，整個(gè)過程與控制無人機(jī)相似。
在無人水面艇的收放領(lǐng)域，致力于在更高海況和航速下進(jìn)行收放作業(yè)。目前考慮的方案包括采用一個(gè)拖曳體輔助無人水面艇的收放，并以自動(dòng)導(dǎo)航和捕獲系統(tǒng)來輔助無人水面艇與回收系統(tǒng)結(jié)合，對于無人水面艇的指控系統(tǒng)，研究方向主要是對其它無人平臺(tái)的指控軟硬件進(jìn)行修改，以適應(yīng)無人水面艇的要求。
除了對無人水面艇進(jìn)行總體設(shè)計(jì)之外，為了加快發(fā)展速度，美國海軍還專門出資研究解決無入水面艇的穩(wěn)定、導(dǎo)航和避碰問題。這種系統(tǒng)是在艦載直升機(jī)甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合直升機(jī)和水下無人航行器的導(dǎo)航和穩(wěn)定系統(tǒng)開發(fā)。它通過處理雷達(dá)和甲板運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，指揮無人水面艇的推進(jìn)裝置和姿態(tài)控制系統(tǒng)作出反應(yīng)，從而改變無人水面艇的穩(wěn)態(tài)或航向。使其具有高航速、大負(fù)載的能力并具有優(yōu)秀的適航性。同時(shí)具有最新的無人導(dǎo)航和自動(dòng)控制能力，可以對周圍360度的環(huán)境進(jìn)行感知。
2.2 高能量動(dòng)力源
在無人水面艇的動(dòng)力方面，由于柴油機(jī)的可靠性好，油料熱效率高，因而應(yīng)用比較廣泛。美國海軍無人水面艇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要供應(yīng)商是洋馬海事公司。該公司提供一系列柴油機(jī)，單機(jī)最大輸出功率達(dá)720馬力。該公司最新型柴油機(jī)采用電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)監(jiān)視和調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪增壓、冷卻溫度和節(jié)流閥，并調(diào)整電噴時(shí)間和油料流量，確保工作環(huán)境下油料完全燃燒并獲得最大的燃油熱效率。此外，美國還在研究一種高能量密度動(dòng)力源，推進(jìn)柴油機(jī)作為混合系統(tǒng)中的一部分，再輔以鋰電池組和其它可能的動(dòng)力源，為無人水面艇提供高可靠性、低維護(hù)量的發(fā)動(dòng)機(jī)，保證它能夠在 海洋環(huán)境和惡劣海況下,無需再加油可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)15天。這種高功率密度的壓燃重油發(fā)動(dòng)機(jī)（CIHFE），為無人水面艇提供更大航程、更高負(fù)載能力，延長其在航時(shí)間，使其獲得更高的航速和燃油經(jīng)濟(jì)性。
2.3 三維成像技術(shù)
在自主海上導(dǎo)航系統(tǒng)中,美國將三維數(shù)字成像、人工智能和傳感器融合技術(shù)集成進(jìn)來，提高無人水面艇單獨(dú)作業(yè)或與其它平臺(tái)協(xié)作時(shí)的自主能力。這種產(chǎn)品使用一些CCD傳感器和多維數(shù)字處理算法來決定無人水面艇所處的位置,探測和識(shí)別附近目標(biāo),并提供其它態(tài)勢感知信息。“斯巴達(dá)偵察兵”無人水面艇裝有光電／紅外監(jiān)視器、對海搜索雷達(dá)、數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)和無人指控設(shè)施。這些設(shè)備使母艦?zāi)軌蛲ㄟ^無人水面艇獲得周圍的海上圖像，對受保護(hù)艦艇周圍的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。
此外還有一種被稱為VXZ成像的技術(shù),其基礎(chǔ)是統(tǒng)稱“機(jī)器眼”的相關(guān)算法。根據(jù)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)提供的信息,“機(jī)器眼”能生成三維空間與目標(biāo)模型。對于從不同角度獲取的圖像,“機(jī)器眼”能夠利用視差生成的圖像確定與目標(biāo)的距離。
2.4 數(shù)字融合技術(shù)
無人水面艇的基本傳感器包括導(dǎo)航和控制用的攝像機(jī)，一部導(dǎo)航雷達(dá)，一都全球定位系統(tǒng)接收器以及視距和超視距通信設(shè)備?；趥鞲衅鞯淖詣?dòng)化海上態(tài)勢感知是使無人水面艇能夠執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)原本用于陸上戰(zhàn)斗的自動(dòng)化系統(tǒng)，目前已成功將該技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用到海軍的無人水面艇上。
時(shí)至今日，無人水面艇剛步入快速發(fā)展的通道。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和作戰(zhàn)需求的強(qiáng)勁推動(dòng)，無人水面艇必將引起更多國家的重視，在日漸熱鬧的近海戰(zhàn)場上發(fā)揮越來越重要的作用。
參考文獻(xiàn)
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③明 遠(yuǎn)：《飛艇：今日的“空中航母”》《百科知識(shí)》2008年第17期
④王鳳嶺：《多用途軍用飛艇將迎來發(fā)展繁榮期》《新民晚報(bào)》2009年08月20 日 ⑤崔璽康：《美國軍用無人飛艇的發(fā)展與應(yīng)用》
⑥呂
君：《新世紀(jì)的飛艇》《航空知識(shí)》2003年第3期
作者簡介
徐 舸（1956—），男，江蘇鹽城，教授，博士，研究方向信息作戰(zhàn)理論與戰(zhàn)法 電子信箱：xuge0424@163.com 聯(lián)系電話：***
第五篇：智能避障小車試驗(yàn)報(bào)告與總結(jié)
智能避障小車試驗(yàn)報(bào)告與
總結(jié)
專業(yè)班級：12自動(dòng)化-3 姓 名：李昆倫 學(xué) 號(hào)：1216306058
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實(shí)用有效的方法。
STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。我們采用的就是STC12C5A60S2這種單片機(jī)。
避障系統(tǒng)可以采用反射式光電開關(guān)或者超聲波傳感器對前方的障礙物進(jìn)行檢測，前者結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便靈活，但不能獲知障礙物與小車間的具體距離；后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可以測得障礙物與小車間的直線距離。本系統(tǒng)采用反射式光電開關(guān)E3F-DS10C4來檢測障礙物。E3F-DS10C4是漫反射式光電開關(guān)，NPN三線輸出方式，三線分別為電源線、輸出線、地線。它的靈敏度也可以調(diào)節(jié)，檢測距離比較遠(yuǎn)，可以達(dá)到20cm。
紅外發(fā)射管，發(fā)射50hz調(diào)制的38k信號(hào)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，發(fā)生漫反射，紅外接收頭接收到這一信號(hào)時(shí)，輸出端輸出50hz的信號(hào)。判斷這一信號(hào)，即可判斷，遇到了障礙物。
避障傳感器基本原理，利用物體的反射性質(zhì)。在一定范圍內(nèi)，如果沒有障礙物，發(fā)射出去紅外線，因?yàn)閭鞑ゾ嚯x越遠(yuǎn)而逐漸減弱，最后消失，或者反射回來的光很弱時(shí)，輸出端呈低電平光電開關(guān)的檢測不受外界干擾。如果有障礙物，紅外線遇到障礙物，被反射到達(dá)傳感器接收頭，則輸出端呈高電平。傳感器檢測到這一信號(hào)，就可以確認(rèn)正前方有障礙物，并送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行一系列的處理分析，協(xié)調(diào)小車兩輪工作。紅外避障基本原理大致就是如此。
利用紅外傳感器進(jìn)行“前進(jìn)-倒退-轉(zhuǎn)向”避障，在車的頭部安裝光電開關(guān)小車采用左右輪分別驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)入障礙區(qū)后，在距離障礙物10cm到20cm的地方就可以檢測到前面有障礙物（改變光電開關(guān)的靈敏度可改變最遠(yuǎn)檢測距離），然后小車剎車停止，并調(diào)整角度，車頭右偏一個(gè)角度，其方法是小車在前進(jìn)制動(dòng)過程中，先制動(dòng)右輪，這樣左輪轉(zhuǎn)動(dòng)快，使小車右轉(zhuǎn)，并制動(dòng)停止，隨后小車加速后退，然后制動(dòng)，在制動(dòng)過程中，先制動(dòng)右輪，左邊快而使車頭左偏，小車再前進(jìn)，檢測前方是否有障礙物。如此循環(huán)，就可以繞開障礙物。前進(jìn)停止和后退停止之間的距離約為30cm，只要小車前進(jìn)時(shí)剎車行程小于傳感器檢測到障礙物的最大距離，就可以肯定小車車頭碰不到障礙物。調(diào)整適當(dāng)?shù)膭x車行程和傳感器的靈敏度，便可實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件。單片機(jī)電路：
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：
電源電路：
紅外傳感電路:
之后附上小車實(shí)物照片： 采用二輪驅(qū)動(dòng)，后面一個(gè)萬向輪方便轉(zhuǎn)向，減少阻力。電源采用3.7v鋰電池供電。
至于程序輸入，如圖電源指示燈旁邊有個(gè)插口，可以連接數(shù)據(jù)線，安裝的驅(qū)動(dòng)是PL2303Vista_Installer，燒寫軟件我采用的是stc-isp-15xx-v6.67D，至于程序則是在同學(xué)們的幫助下參考網(wǎng)上的改編的。程序有如下：
#include“STC12C5A60S2.h” #include
void delay(unsigned int n){ unsigned char i, j,k;for(k=0;k<=n;k++){ _nop_();_nop_();i = 20;j = 10;do {
while(--j);} while(--i);} } void beep(void){ unsigned char i;for(i=0;i<3;i++){ BUZZ=~BUZZ;delay(10);} BUZZ=1;} void gogogo(void){ IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;} void backbackback(void){ IN1=0;IN2=1;IN3=0;IN4=1;} void stop(void){ IN1=0;IN2=0;IN3=0;IN4=0;} void turnleft(void){ IN1=0;IN2=1;IN3=1;IN4=0;} void turnright(void){ IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=1;} void main(void){ while(1){ if(bleft==0&&bright==1){ turnright();delay(3);stop();delay(3);} if(bleft==1&&bright==0){ turnleft();delay(3);stop();delay(3);} if(bleft==0&&bright==0){ gogogo();delay(3);stop();delay(3);} if(bleft==1&&bright==1){ turnright();delay(3);stop();delay(3);} } } 在焊接過程中，也出線了很多錯(cuò)誤，再嚴(yán)重的一次是單片機(jī)底座引腳有一個(gè)沒有焊好，然后用萬用表連接了多次才發(fā)現(xiàn)，然后用一根小鐵絲從下面穿上去再用錫焊牢固。特別要注意的是色環(huán)電阻的識(shí)別計(jì)算方法，在這就不詳細(xì)介紹了。最難的莫過于程序的調(diào)試和小車的機(jī)械方面布局幾輪驅(qū)動(dòng)一類的問題?？傊ㄟ^這次動(dòng)手制作小車，我從中也學(xué)到了很多平時(shí)不知道的東西。以后有機(jī)會(huì)，會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)這方面的動(dòng)手學(xué)習(xí)能力。
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