(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111600349.5 (22)申请日 2021.12.24 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 杨少龙　向先波　安金鑫　向巩　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 代理人 胡秋萍 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种水下航行器动态安全领域模型的构建 方法及应用 (57)摘要 本发明公开了一种水下航行器动态安全领 域模型的构建方法及应用， 所构建的模型包括被 动安全领域距离D1和主动安全领域距离D2； D2为 水下航行器为埋首状态下时， 以当前航行速度从 当前纵倾角打舵使其纵倾回0 °时下降的高度； 障 碍物进入D2所对应的区域内时预示未来存在一 定的碰撞危险。 而D1为从水下航行器控制器发出 转舵指令到转舵指令实际执行完成的迟滞响应 过程中下降的高度； 障碍物进入到D1所对应的区 域内时预示碰撞危险度增加。 本发 明根据水下航 行器的实时观测数据自适应调整D1和D2， 并进一 步预测对底高度及触底风险， 在复杂水下环境下 实现自主应急决策少虚警和少漏警， 提升水下航 行器的安全性。 权利要求书3页 说明书14页 附图7页 CN 114398719 A 2022.04.26 CN 114398719 A 1.一种水下航行器动态安全领域模型的构建方法， 其特征在于， 包括： 实时构建水下航 行器的动态安全领域模型； 所述动态安全领域模型包括位于水下航行器正下方的从上至下依次分布的被动安全 领域包络带和主动安全领域包络带； 记水下航行器的质心到所述被动安全领域包络带下边界的垂直距离为被动安全领域 距离D1； 所述被动 安全领域距离D1通过计算水下航行器以当前纵倾角和当前航行速度在被 动响应时间T0内的被动下降深度得到； 所述被动响应时间T0为从水下航行器的控制器发出 转舵指令 到转舵指令实际执 行完成的时间差； 记水下航行器的质心到所述主动安全领域包络带下边界的垂直距离为主动安全领域 距离D2； 所述主动安全领域距离D2为水下航行器在埋 首状态下时， 以当前航 行速度从当前纵 倾角打舵使 水下航行器纵倾回到0 °时下降的高度； 记所述水下航行器纵倾回到0 °的过程的 所需时间为主动响应时间Ta。 2.根据权利要求1所述的水下航行器动态安全领域模型的构建方法， 其特征在于， 通过 进行水下航行器操纵性试验， 获取在不同航行速度及不同纵倾角下的所述主动响应时间 Ta， 并对所述主动响应时间Ta与水下航 行器的航 行速度u及纵倾角 θ 的关系进行非线性拟合， 得到所述主动响应时间Ta的表达式为： Ta＝A0+A1u+A2u2+A3θ2+A4u θ； 基于公式 获取水下航行器在不同航行速度及不同纵倾角下的所 述主动安全领域距离D2， 并对所述主动安全领域距离D2与水下航行器的航 行速度u及纵倾角 θ 的关系进行非线性拟合， 得到所述主动安全领域距离D2的表达式为： D2＝B0‑B1u‑B2θ +B3u2+ B4u θ； 其中， A0、 A1、 A2、 A3和A4均为主动响应时间Ta的表达式中的拟合系数项； B0、 B1、 B2、 B3和B4 均为主动安全领域距离D2的表达式的拟合系数项。 3.根据权利要求1所述的水下航行器动态安全领域模型的构建方法， 其特征在于， 基于 公式 获取水下航行器在不同航行速度及不同纵倾角下的所述被动 安全领域距离D1后， 对所述被动 安全领域距离D1与水下航行器的航行速度u及纵倾角 θ 的关 系进行非线性拟合， 得到所述被动安全领域距离D1的表达式为： D1＝C0u+C1θ‑C2θ2+C3θu 式中， C0、 C1、 C2和C3均为被动安全领域距离D1的表达式的拟合系数项。 4.一种水 下航行器近底避碰危险度量 化评估方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 将水下航行器的当前航行速度和当前纵倾角输入到采用权利要求1 ‑3任意一项所 述的水下航行器动态 安全领域模型的构建方法所构建的动态安全领域模型中， 得到主动响 应时间Ta、 主动安全领域距离D2和被动安全领域距离D1； S2、 基于水下航行器在航行过程中对底高度时历变化特征， 结合水下航行器的过去对 底高度与当前对底高度的变化量、 以及过去深度与当前深度的变化量， 线性判断水底轮廓 变化趋势， 进 而预测所述主动响应时间Ta后的水下航行器的预测对底高度； S3、 计算所述当前对底高度与所述被动安全领域距离D1之差， 得到当前危险系数； 计算 所述预测对底高度与所述主动安全领域距离D2之差， 得到未来 危险系数；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114398719 A 2S4、 分别对所述当前危险系数和所述未来危险系数进行归一化处理， 并对归一化后的 当前危险系数和未来 危险系数进行加权求和， 得到水 下航行器的综合 危险系数ρ； 其中， 所述综合 危险系数ρ 越大， 表明水 下航行器近底避碰的危险性越高。 5.根据权利要求3所述的水下航行器近底避碰危险度量化评估方法， 其特征在于， 所述 预测对底高度 ξp的计算公式为： 式中， D0为所述当前对底高度； t为当前时刻与过去时刻之间的时间差； D‑t为与当前时 刻的时间差为t时的过去对底高度。 6.根据权利要求3所述的水下航行器近底避碰危险度量化评估方法， 其特征在于， 分别 将所述当前危险系数ρ1和所述未来危险系数ρ2归一化到0 ‑1区间， 得到归一化后的当前危险 系数 以及归一化后的未来危险系数 其中， 当ρ1小于0时， 取值为0； 当ρ1大于或等于0时， 取值为ρ1； 当ρ2小于0时， 取值为0； 当ρ2大于或等于0 时， 取值为ρ2。 7.根据权利要求4 ‑6任意一项所述的水下航行器近底避碰危险度量化评估方法， 其特 征在于， 还 包括， 在步骤S1之前 执行的步骤S0； 步骤S0包括以下步骤： S01、 基于水下航行器过去深度与当前深度的变化量ΔS、 以及过去对底高度与当前对 底高度的变化量ΔD， 得到过去一段时间t内水下航行器正下方投影的水底轮廓变化趋势， 并表示为 水底轮廓与水平面的夹角 θr； 其中， ΔS＝S‑t‑S0， ΔD＝D0‑D‑t； D0为当前对底高度； t 为当前时刻与过去时刻之间的时间差； D‑t为与当前时刻的时间差 为t的过去对底高度； 若 Δ D＜ΔS， 则所述水底轮廓呈上升趋势； 若ΔD＞ΔS， 则所述水底轮廓呈下降趋势； 若ΔD＝Δ S， 则所述水底轮廓呈平缓趋势； S02、 当所述水底轮廓呈上升趋势时， 若水下航行器的当前纵倾角θ0≤θr， 则转至步骤 S1； 否则， 水 下航行器不存在近底避碰危险， 避碰危险度量 化评估结束； 当所述水底轮廓呈下降趋势时， 若|θ0|≥θr， 则转至步骤S1； 否则， 水下航行器不存在 近 底避碰危险， 避碰危险度量 化评估结束； 当所述水底 轮廓呈平缓趋势时， 若θ0≤0°， 则转至步骤S1； 否则， 水下航行器不存在近底 避碰危险， 避碰危险度量 化评估结束。 8.一种自主水 下航行器近底避碰应急响应方法， 其特 征在于， 包括： 基于预设的综合危险系数与应急响应措施的分级分类对应关系， 确定自主水下航行器 在当前综合 危险系数 下所需采取的实时应急响应措施； 其中， 自主水下航行器的当前综合危险系数采用权利要求4 ‑7任意一项所述的水下航 行器近底避碰危险度量 化评估方法计算得到 。 9.根据权利要求8所述的自主水下航行器近底避碰应急响应方法， 其特征在于， 对于欠 驱动特征的自主 水下航行器， 所述预设的综合危险系数与应急响应措施的分级分类对应关 系如下：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114398719 A 3