一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法技术

技术编号:15389269 阅读:124 留言:0更新日期:2017-05-19 03:16
本发明专利技术涉及一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法,实现水下机器人的水下组合导航定位。本发明专利技术包括:利用AUV不同时刻的单信标斜距测距测量值,计算当前时刻的AUV声学定位位置;建立基于TMA技术的单信标组合导航的卡尔曼滤波器,计算组合导航的位置估计。与传统长基线导航和超短基线组合导航比较,本方法具有成本低,设备简单,节省作业时间的优点,降低了水下机器人组合导航系统复杂性,提高了水下机器人组合导航系统的可靠性。本方法移植方便,可以适用于各种潜航器水下导航定位。

A single beacon integrated navigation method for underwater vehicle based on TMA Technology

The invention relates to an underwater robot single beacon integrated navigation method based on TMA technology, and realizes the underwater integrated navigation and positioning of the underwater vehicle. The invention comprises a single letter by AUV at different time scales ranging from oblique measurement, calculation of the current position of AUV acoustic positioning; establish the Calman filter single channel TMA technology standard integrated navigation based on the calculation of navigation location estimation. Compared with the traditional long baseline navigation and ultrashort baseline navigation, this method has the advantages of low cost, simple equipment, saving operation time, reduces the complexity of the integrated navigation system of underwater robot, improve the reliability of the integrated navigation system of underwater robot. This method is easy to transplant, can be applied to a variety of underwater underwater navigation and positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法
本专利技术涉及水下机器人
,尤其涉及一种无人自治水下机器人(简称AUV)的基于TMA技术的单信标组合导航方法,实现AUV的水下组合导航。
技术介绍
在海洋应用中,水下机器人发挥越来越重要的作用。水下机器人分成两类:一种是遥控式有缆水下机器人(简称ROV),一种是无人自治水下机器人(简称AUV)。ROV需要水面母船支持,同时受到电缆长度的限制,其作业距离有限,一般只有几百米;而AUV自身携带能源,可以远离母船,活动距离达到几十公里甚至上百公里。所以AUV的研究越来越受到各国的重视,AUV的发展代表了未来水下机器人的发展方向。而水下组合导航定位技术是AUV发展的关键和制约的瓶颈。因为水下环境的特殊性,无法像陆地直接使用差分GPS导航定位,所以目前水下导航定位主要有两类:惯性导航和水声定位导航。惯性导航系统短航程时定位精度高,但随着航程的增加,累积的导航误差降低了系统的导航精度;水声导航精度较高,水声导航系统主要包括长基线和超短基线。长基线定位系统(简称LBL)的基阵长度一般在几千米,需要在海底布设3个以上的信标(一般布设4个信标,将其中一个信标作为备份信标),通过测量AUV与信标之间的距离来确定AUV的位置,缺点是该系统构成复杂,费用高昂,大量信标校准、布放回收的工作花费了宝贵的船时,使用和维护长基线的成本较高。超短基线定位系统(简称USBL),是将超短基线定位系统布置在船底,通过测量AUV到每个基元的相位差来计算AUV的空间位置。超短基线的优点是节省水下信标布放、校准和回收的时间,但是超短基线对安装精度要求较高,需要对搭载超短基线的母船进行结构改造,并且需要配置外围辅助设备差分GPS和光纤陀螺等姿态传感器,导致超短基线使用和维护的成本也很高。为了克服原来长基线和超短基线结构复杂和维护成本高的缺点,学术界提出了单信标导航系统。单信标导航系统结构简单,使用时只需要布放、校准一个信标就能对AUV进行水下导航,不但节约了宝贵的船时,还不需要对母船进行结构改造和额外辅助设备,降低了系统使用和维护的成本。但是传统的单信标导航系统只关注AUV到单信标的测距信息,存在不是全局可观测的问题,制约了单信标导航技术的应用,所以本专利技术将运动目标分析技术(Targetmotionanalysis,简称TMA)与单信标导航技术结合,提出一种基于TMA技术的单信标组合导航方法,不但拓展了单信标导航的可观测性问题,而且与长基线和超短基线相比,该方法结构简单,维护成本低。
技术实现思路
为了克服传统的长基线导航和超短基线导航存在结构复杂,使用和维护成本高,而现有的单信标导航方法虽然结构简单,但存在不是全局可观测的问题,本专利技术要解决的技术问题是提出一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法,将TMA技术与单信标导航技术相结合,不但保持了单信标导航系统结构简单的优点,又拓展传统单信标导航方法的可观测性。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是:一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法,包括以下步骤:利用AUV不同时刻的单信标斜距测距测量值,计算当前时刻的AUV声学定位位置;建立基于TMA技术的单信标组合导航的卡尔曼滤波器,计算组合导航的位置估计。所述利用AUV不同时刻的单信标斜距测距测量值,计算当前时刻的AUV声学定位位置,包括以下步骤:定义信标位置为(xB,yB,zB);AUV在k时刻、k-1时刻和k-2时刻声学定位位置分别为Zk(x'k,y'k,z'k)、Zk-1(x'k-1,y'k-1,z'k-1)和Zk-2(x'k-2,y'k-2,z'k-2);k时刻、k-1时刻和k-2时刻AUV到信标的斜距分别为Rk、Rk-1和Rk-2;则k时刻、k-1时刻和k-2时刻AUV的斜距方程组成基于TMA技术的单信标测距方程组:其解方程为:[x'k,y'k]T=A-1B其中,其中,(Δx'k,Δy'k)表示从k-1时刻到k时刻的位移,即Δx'k=x'k-x'k-1,Δy'k=y'k-y'k-1;(Δx'k-1,Δy'k-1)表示AUV从k-2时刻到k-1时刻的位移,即Δx'k-1=x'k-1-x'k-2,Δy'k-1=y'k-1-y'k-2,(Δx'k,Δy'k)和(Δx'k-1,Δy'k-1)通过速度、航向角与时间积分获得,是已知量;定义k时刻、k-1时刻和k-2时刻AUV到信标的水平距离分别为Hk、Hk-1和Hk-2,即Hk=Rk2-(zB-z'k)2,Hk-1=Rk-12-(zB-z'k-1)2,Hk-2=Rk-22-(zB-z'k-2)2。所述建立基于TMA技术的单信标组合导航的卡尔曼滤波器,包括以下步骤:第1步,定义k时刻的AUV声学定位Zk(x'k,y'k),其中x'k和y'k分别表示k时刻AUV在x方向和y方向的声学定位位置,建立TMA技术声学定位的量测方程:Zk=[x'k,y'k]T=h(x'k,y'k)+Vk其中,Vk是k时刻信标的测量噪声,它是零均值高斯白噪声,方差矩阵为Rk,信标噪声的方差矩阵是设备属性,为已知量;第2步,定义k时刻AUV的预测位置为Xk(xk,yk),其中xk和yk分别表示k时刻预测AUV在x方向和y方向的位置,建立组合导航的预测方程:其中,uk和ψ是k时刻AUV的速度和航向角,它们可以分别通过多普勒和航向角传感器测量得到,是已知量,那么定义Uk=[uk,ψ]是系统输入矩阵;ΔT是从k-1时刻到k时刻的时间间隔,是已知量;定义Hk=[1,1]T是测量方程的雅各比矩阵,是常量;Wk是k时刻的系统输入噪声,它是零均值高斯白噪声,定义系统输入噪声的方差矩阵为Qk,Qk是航向角传感器和多普勒的设备属性,所以输入噪声的方差矩阵Qk是已知量;xk-1和yk-1分别表示k-1时刻AUV在x方向和y方向的位置,是已知量;Pk,k-1表示k时刻预测AUV位置的预测方差,未知量;Pk-1表示k-1时刻估计AUV位置的估计方差,是已知量;通过组合导航的预测方程,计算k时刻AUV的预测位置为Xk(xk,yk);第3步,计算组合导航的位置估计:定义k时刻AUV估计位置和分别表示k时刻AUV在x方向和y方向的估计位置;还包括计算组合导航的位置估计方差:定义Pk表示k时刻AUV组合导航的位置估计方差,导航精度的估计;,其中,I是单位矩阵。本专利技术具有以下有益效果及优点1.相对于传统的长基线组合导航,本方法使用的设备简单,使用和维护成本低,减少了标定长基线信标的时间,节省了宝贵的海上作业时间,提高作业效率。2.传统的超短基线组合导航需要在母船搭载超短基线,改变母船结构,增加外围辅助设备GPS和光纤陀螺,而本方法不需要改变母船结构和增加外围辅助设备,结构简单,降低成本。3.应用范围广。本专利技术不但可以应用于AUV水下导航,还可以用于其它潜航器的水下导航。附图说明图1是本专利技术的组成示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术的硬件要求是一台AUV,AUV上搭载深度计测量深度,搭载多普勒测量潜器的当前速度,搭载航向角传感器测量潜器当前的航向角,搭载水声测距仪测量AUV到固定的单信标距离,在海底布放一个固定的信标。如图1所示,AUV在水下作业时,本文档来自技高网
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一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法

【技术保护点】
一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法,其特征在于,包括以下步骤:利用AUV不同时刻的单信标斜距测距测量值,计算当前时刻的AUV声学定位位置;建立基于TMA技术的单信标组合导航的卡尔曼滤波器,计算组合导航的位置估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法,其特征在于,包括以下步骤:利用AUV不同时刻的单信标斜距测距测量值,计算当前时刻的AUV声学定位位置;建立基于TMA技术的单信标组合导航的卡尔曼滤波器,计算组合导航的位置估计。2.根据权利要求1所述的一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法,其特征在于,所述利用AUV不同时刻的单信标斜距测距测量值,计算当前时刻的AUV声学定位位置,包括以下步骤:定义信标位置为(xB,yB,zB);AUV在k时刻、k-1时刻和k-2时刻声学定位位置分别为Zk(x'k,y'k,z'k)、Zk-1(x'k-1,y'k-1,z'k-1)和Zk-2(x'k-2,y'k-2,z'k-2);k时刻、k-1时刻和k-2时刻AUV到信标的斜距分别为Rk、Rk-1和Rk-2;则k时刻、k-1时刻和k-2时刻AUV的斜距方程组成基于TMA技术的单信标测距方程组:其解方程为:[x'k,y'k]T=A-1B其中,其中,(Δx'k,Δy'k)表示从k-1时刻到k时刻的位移,即Δx'k=x'k-x'k-1,Δy'k=y'k-y'k-1;(Δx'k-1,Δy'k-1)表示AUV从k-2时刻到k-1时刻的位移,即Δx'k-1=x'k-1-x'k-2,Δy'k-1=y'k-1-y'k-2,(Δx'k,Δy'k)和(Δx'k-1,Δy'k-1)通过速度、航向角与时间积分获得,是已知量;定义k时刻、k-1时刻和k-2时刻AUV到信标的水平距离分别为Hk、Hk-1和Hk-2,即Hk=Rk2-(zB-z'k)2,Hk-1=Rk-12-(zB-z'k-1)2,Hk-2=Rk-22-(zB-z'k-2)2。3.根据权利要求1所述的一种基于TMA技术的水下机器人单信标组合导航方法,其特征在于,...

【专利技术属性】
技术研发人员:王轶群徐春晖邵刚赵宏宇刘健
申请(专利权)人:中国科学院沈阳自动化研究所
类型:发明
国别省市:辽宁,21

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