基于声呐图像的水雷目标检测技术简述

针对水雷目标探测识别困难这一现实问题,分析了水雷及其声呐图像的主要特点,介绍了基于统计特征、形态学、最大熵、分形和聚类等传统水雷识别方法和基于深度学习技术的水雷目标检测算法,以期为后续算法研发提供技术参考。     

一种鲁棒的基于全景视觉的足球机器人目标识别方法

由于光照的变化和全景视觉的畸变,全自主足球机器人对目标识别不稳定且有效性差,为此提出了1种基于Gabor滤波器和支持向量机(SVM)的全自主足球机器人目标识别方法。首先根据颜色特征和面积、长宽比等简单形状特征提取候选目标,候选目标中包含实际的目标和与目标颜色相近且通过上述简单形状特征判断仍无法消除的干扰。将候选目标与Gabor滤波器作卷积来提取特征向量,将特征向量输入SVM进行分类,识别出实际的目标。在机器人MT-R的足球目标识别中对该方法进行了实验,实验表明该种方法具有较好的识别精度,且满足足球机器人的实时性要求。     

水雷目标识别中的数据融合技术

主动声纳发射声信号“照射”被识别目标,并从目标产生的回波中提取出目标的特征信息,结合可能得到的先验知识,对目标的类别作出判断。论文偿试把现代信号处理技术与信息融合技术相结合,应用到具体的水雷目标识别领域,以提高水雷回波识别系统的准确性和可靠性。     

基于声呐图像的水下目标识别研究综述

水下目标识别是水下无人探测的一项核心技术,在军事和民用领域都有重要的应用。根据当前的水下目标识别研究进展,全面阐述基于声呐图像的水下目标识别原理和方法,对总结研究现状、发现存在的问题以及挖掘潜在的研究方向具有积极意义。针对基于声呐图像的水下目标识别问题,论述了图像去噪、图像分割以及水下目标识别等方面的主要进展,阐述了基于深度学习实现声呐图像目标识别的最新技术发展现状。通过对水下目标处理过程的讨论和分析,指出基于声呐图像的水下目标识别算法中亟需解决的关键科学问题及可能的解决思路,并对该领域的未来发展方向做了进一步的展望。     

水雷目标探测攻击指令正确性评判方法研究

主动攻击水雷是一种战斗部主动航行接近目标,并对其实施攻击的水雷,其打击误差主要受目标探测攻击点估计误差和弹道控制误差影响。因此,评判主动攻击水雷目标探测攻击指令输出正确的条件是, 目标探测攻击点估计误差也满足指标要求。对目标探测攻击指令输出正确性指标的试验数据处理及评判方法进行研究,提出了一种基于向量表达式的评判方法,软件实现简单、便捷。     

基于CA-YOLOv5s的水下目标识别方法研究

水下目标物的准确识别是保障通航安全的一项重要工作,针对现有算法对水下多类别目标存在识别精度不高的问题,本文在 YOLOv5s （You Only Look Once v5s） 的基础上提出对其进行改进。首先,为平衡样本间的数量,通过利用几何变化操作模拟现实发生的情况对数量较少的样本进行扩充;其次,将 YOLOv5s 中传统损失函数 CIoU 惩罚项中的反正切函数改为Sigmoid 函数,加快目标识别模型的收敛速度;最后,融合坐标注意力机制（Coordinate Attention,CA）,融合后的模型能衡量每个通道信息的重要性,在关注目标位置信息的同时也不增加过多的计算量。试验结果表明：本文所提出的改进的 YOLOv5s 较改进前在准确率上提升了4.97%,在召回率上提高了 6.20%,在类平均精度上提升了 4.98%,证明本文改进的方法在工程应用上的价值。     

基于水声环境空间中多模态深度融合模型的目标识别方法研究

随着对水下目标特性研究的深入和声学探测技术的发展,基于单模态的阵列式信息融合或基于空间信息的分布式信息融合的水下目标识别方法研究已有一定成果,但针对复杂海况导致单一物理场或单一融合层次的系统识别性能提高有限等方面影响的水下目标识别方法研究还有所不足,因此,开展基于多模态深度融合模型的水下目标识别方法研究可利用模态互补,共享信息而提升识别率。文中在国内外研究基础上,深入研究了基于到达时差法和多模态方法组合的检测方法,初步形成了基于水声环境空间中多模态深度融合模型的识别框架,开展了海洋中典型自然与人为事件的信号分析与特征提取,并在此基础上,设计新型基于海底基站的被动识别系统。该系统同步记录和由位置等组成的时间序列标记声、磁和压数据,可实现高精度、高分辨率的识别。本研究可满足未来海洋观测对高性能水下目标探测、定位和跟踪系统的迫切需要,为海洋安全监管、海洋突发事件应急响应等领域提供新的技术手段和科学参考。     

美国水雷作战能力现状与发展研究

从水雷装备和布雷能力 2 个方面介绍了美国水雷作战能力现状。重点介绍了近年来美国开展的水雷改进/研制项目和布雷能力建设情况,包括“快速打击”系列水雷、隐蔽投送水雷、先进水下武器系列、 “锤头”水雷,以及无人布雷平台等。总结了未来美国水雷作战能力,分析了美国水雷作战能力发展的特点, 提出了美国水雷发展对我们的启示。     

基于视觉定位的水下机器人无通信高精度编队技术研究

水下机器人集群技术是目前水下机器人技术领域的发展热点之一。针对以往基于通信的水下机器人编队存在的编队精度低、队形保持困难等问题,提出了基于水下矢量光图案及视觉定位的水下集群编队方法,并通过水池试验分别验证了视觉定位以及水下密集编队的功能和相关指标。试验结果表明：水下视觉定位能够达到不大于3%的定位精度和不小于2Hz的定位频率,能够为水下机器人自主航行提供准确连续的控制输入。基于视觉定位的水下集群能够实现相互距离10 m以内的密集编队,编队精度不大于10%,较以往基于通信的编队方法有较大提升。     

面向ARV的视觉辅助水下对接方法研究

针对水下机器人作业过程中的近距离引导水下对接问题,以自治缆控水下机器人(ARV)为研究对象,为实现快速、高精度的水下对接,设计了基于反射光源识别的单目视觉辅助水下对接方法。通过在对接口布置反光带并将其作为目标图像,设计了图像处理和特征点提取的算法,经过图像特征信息的分析处理,优化算法的时间复杂度,提高了特征点提取的准确率和识别效率。最后设计了传统的引导灯方案与反光带方案的对比试验,验证算法的可行性,证明在水下环境下识别反射光源的方法极大提升了位置估计的准确率,同时在计算速度上也有显著提高,弥补了传统水下对接方法中精度不足或计算量大的缺陷,更好地满足了ARV水下对接的需求,能为潜水器实现水下自主对接提供参考依据。     

Object detection and tracking method of AUV based on acoustic vision

This paper describes a new framework for object detection and tracking of AUV including underwater acoustic data interpolation, underwater acoustic images segmentation and underwater objects tracking. This framework is applied to the design of vision-based method for AUV based on the forward looking sonar sensor. First, the real-time data flow (underwater acoustic images) is pre-processed to form the whole underwater acoustic image, and the relevant position information of objects is extracted and determined. An improved method of double threshold segmentation is proposed to resolve the problem that the threshold cannot be adjusted adaptively in the traditional method. Second, a representation of region information is created in light of the Gaussian particle filter. The weighted integration strategy combining the area and invariant moment is proposed to perfect the weight of particles and to enhance the tracking robustness. Results obtained on the real acoustic vision platform of AUV during sea trials are displayed and discussed. They show that the proposed method can detect and track the moving objects underwater online, and it is effective and robust.     

基于改进量子粒子群算法的AUV路径规划研究

针对海洋环境下自主水下机器人（AUV）的路径规划问题,提出了一种基于框架四叉树的改进量子粒子群算法（QPSO）,首先使用框架四叉树的方法对障碍物建模,该方法提高了建模的精度且对后续算法的效率也有极大的改进,之后设计改进的量子粒子群算法,并且结合水下环境的特殊性设计适应度函数,综合考虑航线路径长度、偏转角度以及海流影响,使得算法可以在水下环境中寻得能耗最短的解路径。最后通过仿真试验验证,相比于传统的栅格法和粒子群算法,改进量子粒子群算法的运算时间更短,收敛速度更快,其独特的适应度函数可以使AUV能更好适应水下多变的环境,且能利用海流设计能耗更小的路径,具有很大的实用价值。     

Maneuvering modeling and simulation of AUV dynamic systems with Euler-Rodriguez quaternion method

The purpose of this study is to develop maneuvering models and systems of a simulator to improve the motion performance of autonomous underwater vehicles (AUVs) at the preliminary design stages in advance. The AUVs simulation systems based on the standard submarine equations of motion in six-degree-of-freedom (6-DOF) integrated with the Euler-Rodriguez quaternion method for representing singularity-free AUV attitude and time-saving calculation, and with a nonlinear control model for maneuvering and depth control simulations, time-marching in the fourth-order Runge-Kutta scheme. For validation of the simulation codes, results of the ISiMI AUV open-loop tests including turning test and zigzag test as well as an AUV simulator on the basis of Euler-angle method were used to compare with the quaternion-based AUV simulator. The computational results from the proposed simulator agree well with those from both the ISiMI AUV experiments and the Euler-angle based simulations. Additionally, a new maneuvering procedure, namely "put-out" was implemented to test directional stability for a large-scale AUV in the proposed AUV simulator that can be considered for vehicles in space as well as in constrained planes.     

小型水下自航行器自沉浮装置设计与研究

文中对水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)的自沉浮装置进行了详细设计与研究。通过对已有的自沉浮装置方案进行对比研究,设计了以高压气体吹除压载水舱的新型自沉浮装置,该装置具有结构简单、可靠性高和可维护性好的特点,并可实现模块化设计。最后,对装置的主要设计参数进行了计算与优化。     

一种基于视觉的水下机器人动力定位方法

以7 000 m载人潜水器的工程需求为背景,以水下单目摄像机为视觉传感器,进行了水下机器人动力定位方法研究。该动力定位方法利用视觉系统测量得到水下机器人与被观察目标之间的三维位姿关系,通过路径规划、位置控制和姿态控制分解,逐步使机器人由初始位姿逼近期望位姿并最终定位于期望位姿,从而实现了机器人的4自由度动力定位。通过水池实验验证了提出的动力定位方法,并且机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动。同时,该动力定位方法还可以实现机器人对被观察目标的自动跟踪。     

AUV总体概念设计中的多学科和多目标优化研究

针对水下自主式航行器(AUV)在总体概念设计阶段的多学科和多目标优化问题进行了研究。基于MDO的概念将AUV的设计要求分解为系统控制层和5个子系统,考虑了有效负载长度和总质量两个目标函数。采用多学科可行解方法(MDF)和多目标遗传算法(MOGA)给出了多学科的Pareto最优解,并且和经典的多目标方法进了比较。     

一种小型水下自航行器推进系统设计与分析

从系统角度考虑,整体优化,设计了水下自航行器推进系统.通过外形优化减小轴向阻力,根据阻力和综合分析设计螺旋桨,并由敞水池试验验证螺旋桨的性能,在此基础上完成了推进控制系统的分析与优化设计.试验结果证明系统设计方法正确,推进系统性能良好.     

基于海洋机器人的科学观测与实验系统研究现状与展望

海洋机器人具有观测范围大、作业灵活、机动性好、可控性强等突出优点,在海洋科学观测与海洋科学实验中发挥了重要作用,促进了物理海洋和海洋生物地球化学的发展。为阐明海洋机器人在海洋科学观测和实验中的应用情况,以水下滑翔机、自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）和无人帆船3种典型的观测型海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学观测中的应用现状;以原位采样与固定、原位培养与分析海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学实验中的应用现状;最后结合未来海洋科学研究需求,从需求牵引的角度对基于机器人的科学观测与实验系统的发展趋势进行了展望。     

水下滑翔器整体外形设计及水动力性能分析

对水下滑翔器的整体外形设计与水动力性能进行研究。在Slocum等几种典型水下滑翔器样机的基础上,对滑翔器的主体和附体进行一体化设计,得到阻力最小的新型水下滑翔器构型设计。利用CFD方法对水下滑翔器进行模拟仿真,通过分析对比五种主体构型,得到了比较合理的主体线型,然后用正交设计方法和曲线拟合法对附体进行了优选工作,最后得到了性能更优的整体载体外形。模拟仿真实验表明,滑翔器在8°左右攻角航行时,具有最大的升阻比;和Slocum等经典样机相比,新的载体具有更好的水动力性能。通过上述研究工作,也可以缩短水下滑翔器研制周期,降低设计成本,并为水下滑翔器的更优设计提供了有力的技术指导和参考。