一种多水下机器人协同海流估计方法技术

本发明专利技术涉及一种多水下机器人协同海流估计方法，包括如下步骤：启动多普勒测速仪、水声同步通信机、非线性估计模块和协同编队控制模块；当信息状态为对底测速时，水下机器人广播位置信息，实现协同编队航行作业；当信息状态为对流测速时，进入估计判别器判断是否需要进行海流估计；非线性估计模块根据水面支持母船的位置、距离信息与其他水下机器人的位置估计信息、海流估计信息、距离信息；融合海流估计结果与多普勒测速信息，补偿多普勒测速仪对流测速带来的位置误差，实现水下机器人位置估计。本发明专利技术可以提高多水下机器人系统在深海海域的航行能力，实现长时间不出水的深海海域航行，满足大范围航海要求和作业效率要求。

A collaborative current estimation method for multiple underwater vehicles

【技术实现步骤摘要】
一种多水下机器人协同海流估计方法
本专利技术涉及多水下机器人协同定位方法领域，尤其涉及一种多水下机器人协同海流估计方法领域。
技术介绍
定位信息是水下机器人实现自主规划、自主控制的必要条件，同时是水下机器人任务执行与安全作业的重要保障。然而，水是电磁波的不良导体，因此常用的GNSS定位和导航方法不适用于水下机器人。多普勒测速仪(Dopplervelocitylog)是利用声波的多普勒效应以及测流原理制成的声学设备，能够用于测量水下机器人参考海底的绝对速度和参考水体的相对速度。当水下机器人可获取绝对速度时，结合自身搭载的姿态测量设备即可实现不大于0.5％的定位精度，满足航行任务要求。但是，当水下机器人在深海海域航行时，水深往往超过多普勒测速仪的测量范围，此时多普勒测速仪仅能获取参考水体的相对速度，若无法获取水体的流速信息，定位位置将速度发散。本专利中的多水下机器人协同海流估计方法，利用水声同步通信机模块实现水下机器人与支持母船、其他水下机器人间信息交互与距离测量，最终完成海流信息的估计，并将海流信息补偿给多普勒测速仪，达到绝对速度信息的观测要求，提高深海海域的定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多水下机器人协同海流估计方法，以保证多水下航行器深海海域航行时的定位精度。本专利技术是这样实现的：一种多水下机器人协同海流估计方法，所述方法包括如下步骤：(1)开始航行任务，启动多普勒测速仪、水声同步通信机、非线性估计模块和协同编队控制模块；(2)多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对底测速时，水下机器人广播位置信息，实现协同编队航行作业；(3)多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对流测速时，进入估计判别器判断是否需要进行海流估计，若需要，水下机器人广播位置信息、流速估计信息，协同编队控制模块开始进行队形变换任务，否则进行协同编队航行作业；(4)在队形变换任务开始后，非线性估计模块根据水面支持母船的位置、距离信息与其他水下机器人的位置估计信息、海流估计信息、距离信息，利用因子图优化方法，实现海流流速的估计；(5)水下机器人停止队形变换任务，融合海流估计结果与多普勒测速信息，补偿多普勒测速仪对流测速带来的位置误差，实现水下机器人位置估计；(6)判断航行任务是否完成，若完成，结束流程，否则，返回步骤2。一种多水下机器人协同海流估计装置，所述装置包括多普勒测速仪模块、水声同步通信机模块、非线性估计模块、协同编队控制模块；所述多普勒测速仪模块的作用是：使用多普勒测速仪测量对底速度，当水深超出测量范围无法实现对底测速时，可自动切换为对流测速模式；所述水声同步通信机模块的作用是：水声同步通信机在典型海洋环境下通信范围不小于3千米，具备1PPM的高精度晶振，在实现通信功能基础上，同时实现单向传播时间测距；所述非线性估计模块的作用是：利用水面支持母船的位置、距离信息与其他水下机器人的位置估计信息、海流估计信息、距离信息，采用因子图优化方法，实现海流速度、位置的最优估计；所述协同编队控制模块的作用是：利用多水下机器人间的位置信息，实现多水下机器人编队队形变换和位置循环变换。本专利技术的有益效果是：本专利技术可以提高多水下机器人系统在深海海域的航行能力，在不过度增加系统复杂性和不大幅提高设备成本的条件下，实现长时间不出水的深海海域航行，满足大范围航海要求和作业效率要求。方法逻辑清晰、实践简单。附图说明图1为多水下机器人协同海流估计系统结构框图；图2为多水下机器人信息广播示意图；图3为协同估计方法因子图；图4为位置循环队形变换示意图；图5为协同估计方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。一种多水下机器人协同海流估计方法，包括多普勒测速仪模块、水声同步通信机模块、非线性估计模块、协同编队控制模块。多普勒测速仪模块:多普勒测速仪(120kHz)对典型海底测量范围大约300-400米，当水深超出测量范围无法实现对底测速时，可自动切换为对流测速模式。水声同步通信机模块：水声同步通信机在典型海洋环境下通信范围不小于3km，具备1PPM的高精度晶振，在实现通信功能基础上，可实现单向传播时间(OneWayTravelTime)测距。非线性估计模块：利用水面支持母船的位置、距离信息与其他水下机器人的位置估计信息、海流估计信息、距离信息，采用因子图优化方法，实现海流速度、位置的最优估计。协同编队控制模块：利用多水下机器人间的位置信息，实现多水下机器人编队队形变换，本专利中主要指位置循环变换。一种多水下机器人协同海流估计方法，包括以下几个步骤：1.开始航行任务，启动多普勒测速仪、水声同步通信机、非线性估计模块和协同编队控制模块；2.多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对底测速时，水下机器人广播位置信息，实现协同编队航行作业；3.多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对流测速时，进入估计判别器判断是否需要进行海流估计，若需要，水下机器人广播位置信息、流速估计信息，协同编队控制模块开始进行队形变换任务，否则进行协同编队航行作业；4.在队形变换任务开始后，非线性估计模块根据水面支持母船的位置、距离信息与其他水下机器人的位置估计信息、海流估计信息、距离信息，利用因子图优化方法，实现海流流速的估计；5.水下机器人停止队形变换任务，融合海流估计结果与多普勒测速信息，补偿多普勒测速仪对流测速带来的位置误差，实现水下机器人位置估计；6.判断航行任务是否完成，若完成，结束流程，否则，返回步骤2。本专利技术进一步描述如下：一种多水下机器人协同海流估计方法，包括多普勒测速仪模块、水声同步通信机模块、非线性估计模块、协同编队控制模块。水声同步通信机具备1PPM的高精度时钟，可利用单向传播时间在获取通信信息的同时实现母船与水下机器人、水下机器人之间空间距离的测量。母船向多水下机器人广播自身位置信息，多水下机器人之间广播位置估计信息、海流估计信息，广播信息根据固定时间间隔实现时间区分。通过协同编队控制模块实现简单的队形变换，即可保障非线性估计模块的可观测性，完成海流与位置的最优估计。非线性估计模块利用因子图，实现多水下机器人协同海流估计问题的数学抽象，完成海流与位置的最优估计。结合图1，多水下机器人协同海流估计系统结构如下：如图1所示，多水下机器人协同海流估计系统结构包括多普勒测速仪模块、水声同步通信机模块、非线性估计模块、协同编队控制模块，利用水声同步通信机，水下机器人在无法获取对底测速的情况下，利用水声信道广播支持母船位置信息、海流速度估计信息、机器人位置估计信息，利用非线性估计模块，实现海流和自身位置的最优估计。结合图2，介绍多水下机器人信息广播方法：假设有m个水下机器人，ΔT为系统内所有单元发送信息的周期，在整数信息广播时间点kΔT，支持母船本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多水下机器人协同海流估计方法，其特征是：所述方法包括如下步骤：/n(1)开始航行任务，启动多普勒测速仪、水声同步通信机、非线性估计模块和协同编队控制模块；/n(2)多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对底测速时，水下机器人广播位置信息，实现协同编队航行作业；/n(3)多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对流测速时，进入估计判别器判断是否需要进行海流估计，若需要，水下机器人广播位置信息、流速估计信息，协同编队控制模块开始进行队形变换任务，否则进行协同编队航行作业；/n(4)在队形变换任务开始后，非线性估计模块根据水面支持母船的位置、距离信息与其他水下机器人的位置估计信息、海流估计信息、距离信息，利用因子图优化方法，实现海流流速的估计；/n(5)水下机器人停止队形变换任务，融合海流估计结果与多普勒测速信息，补偿多普勒测速仪对流测速带来的位置误差，实现水下机器人位置估计；/n(6)判断航行任务是否完成，若完成，结束流程，否则，返回步骤2。/n

【技术特征摘要】
1.一种多水下机器人协同海流估计方法，其特征是：所述方法包括如下步骤：
(1)开始航行任务，启动多普勒测速仪、水声同步通信机、非线性估计模块和协同编队控制模块；
(2)多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对底测速时，水下机器人广播位置信息，实现协同编队航行作业；
(3)多普勒测速仪反馈速度信息，当信息状态为对流测速时，进入估计判别器判断是否需要进行海流估计，若需要，水下机器人广播位置信息、流速估计信息，协同编队控制模块开始进行队形变换任务，否则进行协同编队航行作业；
(4)在队形变换任务开始后，非线性估计模块根据水面支持母船的位置、距离信息与其他水下机器人的位置估计信息、海流估计信息、距离信息，利用因子图优化方法，实现海流流速的估计；
(5)水下机器人停止队形变换任务，融合海流估计结果与多普勒测速信息，补偿多普勒测速仪对流测速带来的位置误差，实现水下机...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迪，严浙平，秦东亚，周佳加，张宏瀚，徐健，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23