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一種UUV協同作業中的水下目標探測態勢模擬方法及系統

文檔序號:37126799發布日期:2024-02-22 21:39閱讀:33來源:國知局
一種UUV協同作業中的水下目標探測態勢模擬方法及系統

本發明涉及水下目標探測仿真,具體而言,涉及一種uuv協同作業中的水下目標探測態勢模擬方法及系統。


背景技術:

1、非合作目標試圖進入我方特定的海域,而我方海域中布置有多uuv協同作業系統,可以對非合作目標的運動軌跡進行識別和捕獲,防止非合作目標在我方海域進行干擾。uuv協同作業的布局結構影響整個系統的探測范圍、防御概率等重要指標,而對于uuv協同作業的布局設計是復雜的。

2、uuv協同作業可以結合不同功能的uuv,滿足不同的海洋開發、探測和保護的需要。同時多uuv之間形成陣列,可以提高探測精度,也可以使整個系統實現更加多樣的功能。鑒于uuv協同本身的復雜性,對協同作業的態勢進行合理的模擬,就顯得十分重要,可以有效減少不必要的設計,加快uuv協同作業系統的研發,這也是本發明進行仿真的重要意義。


技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題是:

2、為了解決如何進行有效的uuv協同作業,進而減少不必要的布局設計,增加非合作水下目標捕獲概率的問題。

3、本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案:

4、本發明提供了一種uuv協同作業中的水下目標探測態勢模擬方法,包括以下步驟:

5、步驟一、設置仿真參數,所述仿真參數包括外警戒線半徑、內警戒線半徑、uuv對于a類非合作水下目標的探測半徑、uuv對于b類非合作水下目標的探測半徑、uuv對于c類非合作水下目標的探測半徑、a類非合作水下目標、b類非合作水下目標和c類非合作水下目標分別對uuv的探測半徑、uuv的運動速度、a類非合作水下目標、b類非合作水下目標和c類非合作水下目標的運動速度、非合作水下目標的數量配置、蒙特卡洛次數、uuv的巡邏模式、小島半徑、基本檢測概率以及增加概率;

6、步驟二、選擇非合作水下目標運動模式,所述非合作水下目標運動模式分為沿直線運動模式和沿dwa路徑規劃運動模式;

7、步驟三、根據內、外警戒線防守概率指標,對uuv進行陣型構建;

8、步驟四、為檢驗陣位配置是否能夠達到指標,采用蒙特卡洛試驗使不同類非合作水下目標每一次從不同的方向向目標位置運動;

9、步驟五、對每個仿真時刻計算非合作水下目標、uuv和發射聲納的狀態,所述的狀態指的是橫坐標、縱坐標、航向角、速度和角速度;

10、步驟六、根據對不同類非合作水下目標能否被捕獲的判決依據,對每一個非合作水下目標在每個仿真時刻進行判決;

11、步驟七、當本次試驗中所有的非合作水下目標全部停止運動時,本次試驗結束,然后判斷試驗次數是否大于設定的試驗次數,若大于則本實驗結束,若小于則重復步驟四至步驟六直至實現結束,計算內、外警戒線防守概率并顯示出來。

12、進一步地,在步驟二中,當所述非合作水下目標運動模式為沿直線運動模式時,直線運動模型為,

13、xnew=f×xold+b×u

14、

15、

16、其中,x=(x,y,yaw,v,ω)t表征目標的運動狀態,xnew代表目標當前時刻的運動狀態,xold代表目標前一時刻的運動狀態,x代表目標位置的橫坐標,y代表目標位置的縱坐標,yaw代表目標的航向角,v代表目標運動的速度,ω代表目標的角速度;dt代表時間間隔;u=(v,ω)t表征當前時刻的速度和角速度。

17、進一步地,在步驟二中,當所述非合作水下目標運動模式為dwa路徑規劃運動模式時,根據移動機器人當前的位置狀態和速度狀態在速度空間(v,ω)中確定一個滿足移動機器人硬件約束的采樣速度空間,然后計算移動機器人在這些速度情況下移動一定時間內的軌跡,并通過評價函數對該軌跡進行評價,最后選出評價最優的軌跡所對應的速度來作為移動機器人運動速度,如此循環直至移動機器人到達目標點。

18、進一步地,包括以下步驟:

19、s1、對移動機器人進行速度采樣,

20、在速度邊界限制下,此時可采樣的速度空間vm為,

21、vm={(v,ω)|v∈[vmin,vmax],ω∈[ωmin,ωmax]}

22、式中vmin、vmax分別為移動機器人的最小線速度和最大線速度,ωmin、ωmax分別為移動機器人最小角速度和最大角速度;

23、在加速度限制下,此時可采樣的速度空間vd為,

24、vd={(v,ω)|v∈[vc-av?max*δt,vc+av?max*δt],ω∈[ωc-aωmax*δt,ωc+aωmax*δt]}

25、式中vc、ωc分別為移動機器人當前時刻的線速度和角速度,av?max、aωmax分別為移動機器人最大線加速度和最大角加速度,δt為移動機器人當前時刻與前一時刻的時間差;

26、在環境障礙物限制下,此時可采樣的速度空間va為,

27、

28、式中dist(v,ω)表示當前速度下對應移動機器人模擬軌跡與障礙物之間的最近距離,vmin為移動機器人最小線速度,ωmin為移動機器人最小角速度;

29、結合上述三類速度限制,最終的移動機器人速度采樣空間vs是三個速度空間的交集,即,

30、vs=vm∩vd∩va

31、s2、對移動機器人進行軌跡預測,在軌跡預測中,確定速度采樣空間vs后,dwa算法以一定的采樣間距在該空間均勻采樣,當采樣了一組(v,ω)后,通過移動機器人的運動學模型進行軌跡預測,即位置更新;

32、s3、對移動機器人進行軌跡評價,在軌跡評價中,需要對采樣得到的多組軌跡進行評價擇優,通過標準評價軌跡,比較評分來選出最優軌跡,然后選取最優軌跡對應的速度作為驅動速度。

33、進一步地,對每條軌跡進行評估的評價函數為,

34、g(v,ω)=σ(α·heading(v,ω))+σ(β·dist(v,ω))+σ(γ·velocity(v,ω))

35、其中,heading(v,ω)是方位角評價函數,即heading(v,ω)=π-δθ,δθ為當前采樣速度下產生的軌跡終點位置方向與目標點連線的夾角的誤差;dist(v,ω)是距離評價函數,表示當前速度下對應模擬軌跡與障礙物之間的最近距離;velocity(v,ω)是速度評價函數,表示當前速度大小,可以直接用當前線速度的大小來表示;當前線速度越大,表示規劃軌跡上的速度越快,評價得分越高;α、β和γ均為評價函數的系數;σ表示歸一化。

36、進一步地,在步驟三中,在雙基地條件下,聲源、目標和接收機之間構成三角關系,聲納的探測范圍為一橢圓。

37、進一步地,在僅考慮噪聲限制的情況下,雙基地聲納方程為,

38、tl1+tl2=sl-nl+di-dt+ts

39、式中,tl1、tl2分別為聲源至目標和目標至接收機的傳播損失,sl為聲源級,ts目標強度,nl為接收水聽器陣所接收到的艦船自噪聲和環境噪聲級,di為接收水聽器陣的指向性指數,dt為檢測閾,噪聲遮蔽級為nl-di+dt;

40、在聲納系統的系統參數和海況確定時,聲源級和噪聲遮蔽級為確定的值;而ts、tl1和tl2是隨著目標和雙基地聲納幾何關系的變化而變化的;

41、(1)對于ts的取值:在雙基地條件下,ts取決于聲波入射角和分置角兩個量;把雙基地條件下各個入射角和分置角的ts按一定的規則進行統計平均,得到以取代具有隨機性的ts進行作用距離估計,最終聲納的覆蓋區域為一個形狀規則的橢圓;

42、(2)對于傳播損失和作用距離:tl1與發射機和目標之間距離rt有關,記為tl1(rt);同理tl2與目標到接收機距離rr有關,記為tl2(rr);在sl、nl、ts、di、dt均已確定條件下,雙基地聲納方程為:

43、tl1(rt)+tl2(rr)=sl-nl+di-dt+ts=常數

44、聲波傳播損失按球面波衰減計算并忽略吸收衰減,則:

45、tl=20lgr

46、代入雙基地聲納方程可得:

47、20lgrt+20lgrr=ts+sl-(nl-di)-dt

48、進一步推導可得:

49、

50、(3)對于探測范圍和探測面積,定義聲源與接收機距離為d,雙基地系統等效半徑為當d=0時,雙基地系統的探測范圍是一個半徑為r的圓;隨著參數d的增加,當0<d<1.41r時,雙基地聲納系統的探測范圍逐漸從圓形演變為近似橢圓形;當d逐漸大于1.41r時,雙基地聲納的探測范圍逐漸由橢圓開始扭曲;當d進一步增加至2r時,雙基地聲納系統的探測范圍會分成兩個互不相交的區域;

51、所以定義0<d<1.41r為雙基地聲納的較優聲源級與接收機距離,此時雙基地聲納系統的探測范圍可以看作是一個橢圓。

52、進一步地,通過蒙特卡洛試驗,可計算對于不同類別的非合作水下目標在不同布設半徑下為達到不同概率所需要的uuv數目,可通過在布設半徑一定的情況下,計算對于a類非合作水下目標、b類非合作水下目標和c類非合作水下目標在不同概率下所需要的uuv數目。

53、根據權利要求8所述的一種uuv協同作業中的水下目標探測態勢模擬方法,其特征在于:在步驟六中,對不同類非合作水下目標是否被捕獲的判決標準為是否停止運動,當非合作水下目標被捕獲時,停止運動;當非合作水下目標未被捕獲時,繼續向目標運動,若非合作水下目標一直未被捕獲,當其與目標的距離小于3時,停止運動。

54、一種uuv協同作業中的水下目標探測態勢模擬系統,該系統具有與上述步驟對應的程序模塊,運行時執行上述的uuv協同作業中的水下目標探測態勢模擬方法中的步驟。

55、相較于現有技術,本發明的有益效果是:

56、本發明一種uuv協同作業中的水下目標探測態勢模擬方法及系統,借助計算機對uuv協同作業的布局進行仿真,并對整個過程進行態勢模擬,同時利用探測誤差和防御概率等指標對整個仿真過程的效能進行分析,對探索合理的uuv協同作業方式具有重要作用;通過模擬過程可以有效加快uuv協同作業體系的設計,實現了“非合作水下目標運動-聲納陣位配置-非合作水下目標能否被捕獲的判斷”全流程水下目標探測實時演示系統仿真,通過仿真的方式對非合作水下目標是否能被捕獲進行概率計算,為實際捕獲非合作水下目標提供了數據支持,以便于調整捕獲仿真以及提高捕獲效率;

57、利用雙基地聲納代替單基地聲納,即發射機與接收機分開一定距離,接收機僅以收聽的方式工作,其位置一般不易被敵方發現,降低了基地被發現并被捕獲的概率;且雙基地探測半徑是單基地探測半徑的十倍以上,可有效提高探測效果。

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