一种DVL安装误差标定方法、设备及系统技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种DVL安装误差标定方法、设备及系统，该方法包括：步骤一，建立DVL的测速模型，步骤二，以李代数表达载体姿态，利用非线性最小二乘法根据该测速模型建立目标函数；步骤三，利用目标函数不断迭代得到极小值，以所述极小值对应的李代数标定所述安装误差角方向余弦阵。本发明专利技术实施例中，采用李代数的方法表示旋转矩阵，不存在奇点，不会出现万向节锁死问题，可以实现合并连续变换，适用于一次与二次近似模型，并在一定程度上避免线性方程组的系数矩阵的非奇异和病态问题，提供更稳定、更准确的增量。更准确的增量。更准确的增量。

【技术实现步骤摘要】
一种DVL安装误差标定方法、设备及系统


[0001]本专利技术实施例涉及水下自主导航
，尤其是涉及一种DVL安装误差标定方法、设备及系统。

技术介绍

[0002]多普勒计程仪(DopplerVelocity Log，DVL)是一种利用多普勒效应原理，测量载体相对海底和水体三维速度的精密仪器，广泛应用于水中装备、舰船导航等领域，是现代水下自主导航系统的重要组成。
[0003]随着人类对海洋探索需求的日益增加，水下载体平台对导航精度的要求也在日渐提高。受载体结构、生产工艺、机械加工精度和安装方式等因素的限制，DVL在安装过程中难免会出现声学基阵安装位置偏离载体摇摆重心、基阵波束轴方向偏离预定安装方向等问题，进而影响DVL测速性能，因此有必要对DVL的误差标校方法进行研究。
[0004]DVL需要标定与补偿的主要参数包括杆臂矢量、声学基阵安装偏角与测速比例因子。通过结构设计参数，可以提前对杆臂矢量进行补偿，所以在标定的过程中可以忽略杆臂矢量。DVL的测速精度主要受刻度因子误差和安装误差的影响，由于这两项误差参数难以直接测量，因此，需要通过参数辨识等数学手段进行误差的标定。
[0005]目前的标定方法多通过建立关于误差参数的目标函数，进而利用最小二乘、梯度下降法、高斯牛顿法等方法确定最优解的方法进行误差标定。然而，这些方法具有使用的局限性，比如当函数较为复杂时，使用梯度下降法计算量大，迭代速度慢；当函数是线性的时候，没有二阶导数，高斯牛顿法不收敛。且这些方法会存在线性方程组系数矩阵的非奇异和病态问题，使增量不稳定，从而影响DVL安装误差标定结果。
[0006]因此，亟待提供一种新的DVL安装误差的标定方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种DVL安装误差标定方法、设备及系统，来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
[0008]为实现上述目的，本专利技术实施例提供一种一种DVL安装误差标定方法，包括：
[0009]步骤一，建立DVL的测速模型，
[0010][0011]其中，V
b
为载体真实速度；表示DVL实际测量速度；为DVL安装误差角方向余弦阵；
[0012]步骤二，令以李代数表达载体姿态，利用非线性最小二乘法根据式(1)建立目标函数：
[0013][0014]其中，ξ表示李代数，i表示第i次量测，n为自然数；
[0015]步骤三，利用式(2)不断迭代得到极小值，以所述极小值对应的李代数标定所述安装误差角方向余弦阵。
[0016]优选的，步骤一之前还包括：
[0017]建立DVL测速模型为：
[0018][0019]其中，K
d
为DVL刻度因子误差矩阵；
[0020]通过预设方式得到K
d
的值，令将式(3)变更为式(1)。
[0021]优选的，通过下述方式得到所述K
d
的值：
[0022]令DVL x、y、z三轴的刻度因子误差均为k
d
，则刻度因子误差矩阵K
d
＝k
d
I3×3，将其代入式(3)后得
[0023][0024]其中，I3×3代表3维单位矩阵；上式两边取模可得
[0025][0026]根据向量与方向余弦阵相乘不改变自身模值，将省去后依然成立，得到
[0027][0028][0029]即
[0030][0031]其中，N为用于求解k
d
的速度测量值数量。
[0032]优选的，对式(2)中的李代数求导，得到：
[0033]f'(x)＝(exp(ξ^))^V
b
ꢀꢀ
式(4)
[0034]其中，x＝ξ，以f'(x)＝0时的x取值作为所述极小值对应的李代数。
[0035]优选的，通过迭代方式获取f'(x)＝0时的x取值：
[0036]给定初始值x0，以及初始优化半径μ，对于第k次迭代，求解：
[0037][0038]其中，J(x)
T
＝(exp(ξ^))^V
b
，Δx为迭代增量，D为非负数对角矩阵，μ是预设值，根据式(5)得到Δx
k
：
[0039]若Δx
k
满足预设阈值条件，则以x
k
为所述f'(x)＝0时的x取值，结束迭代；否则令x
k+1
＝x
k
+Δx
k
，继续迭代。
[0040]优选的，该方法还包括：
[0041]定义指标ρ：
[0042][0043]对于第k次迭代的结果计算ρ，如果ρ满足预设阈值条件，则令x
k+1
＝x
k
+Δx
k
；否则，若ρ>预设极大值，则增加μ的值，若ρ<预设极小值，则减小u的值，并再次执行第k次迭代。
[0044]优选的，若ρ>预设极大值，则设置μ＝2μ；若ρ<预设极小值，则设置μ＝0.5μ。
[0045]本专利技术实施例还提供一种DVL安装误差标定设备，包括：
[0046]模型建立单元，用于建立DVL的测速模型，
[0047][0048]其中，V
b
为载体真实速度；表示DVL实际测量速度；为DVL安装误差角方向余弦阵；
[0049]安装误差确定单元，用于:
[0050]以李代数表达载体姿态，使用所述李代数表示所述DVL安装误差角方向余弦阵，根据式(1)建立目标函数：
[0051][0052]其中，ξ表示所述李代数，i表示第i次量测，n为自然数；
[0053]利用式(2)不断迭代得到极小值，以所述极小值对应的李代数标定所述安装误差角方向余弦阵。
[0054]优选的，所述安装误差确定单元还用于：
[0055]对式(2)中的李代数求导，得到：
[0056]f'(x)＝(exp(ξ^))^V
b
ꢀꢀ
式(3)
[0057]其中，x＝ξ，以f'(x)＝0时的x取值作为所述极小值对应的李代数。
[0058]本专利技术实施例提供一种DVL安装误差标定系统，包括载体、多普勒计程仪DVL和上述DVL安装误差标定设备。
[0059]本专利技术实施例由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0060]通过不断地迭代寻找出最优值，同时具有梯度下降法和高斯牛顿法的优点，适用范围更广。此标定方法使用李代数表达姿态，只需要将单个误差项关于姿态的导数求解出来，再使用李代数扰动模型即可。这种使用列文伯格—马夸尔特进行迭代的非线性优化方法，可以同时适用于一次和二次近似模型。此外，相比于其它的DVL标定方法，采用列文伯格—马夸尔特方法可以在一定程度上避免线性方程组的系数矩阵的非奇异和病态问题，可以提供更稳定、更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种DVL安装误差标定方法，其特征在于，包括：步骤一，建立DVL的测速模型，其中，V
b
为载体真实速度；表示DVL实际测量速度；为DVL安装误差角方向余弦阵；步骤二，令以李代数表达载体姿态，利用非线性最小二乘法根据式(1)建立目标函数：其中，ξ表示李代数，i表示第i次量测，n为自然数；步骤三，利用式(2)不断迭代得到极小值，以所述极小值对应的李代数标定所述安装误差角方向余弦阵。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一之前还包括：建立DVL测速模型为：其中，K
d
为DVL刻度因子误差矩阵；通过预设方式得到K
d
的值，令将式(3)变更为式(1)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下述方式得到所述K
d
的值：令DVL x、y、z三轴的刻度因子误差均为k
d
，则刻度因子误差矩阵K
d
＝k
d
I3×3，将其代入式(3)后得其中，I3×3代表3维单位矩阵；上式两边取模可得根据向量与方向余弦阵相乘不改变自身模值，将省去后依然成立，得到省去后依然成立，得到即其中，N为用于求解k
d
的速度测量值数量。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对式(2)中的李代数求导，得到：f'(x)＝(exp(ξ^))^V
b
ꢀꢀꢀ
式(4)其中，x＝ξ，以f'(x)＝0时的x取值作为所述极小值对应的李
代数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过迭代方式获取f'(x)＝0时的x取值：给定初始值x0，以及初始优化半径μ，对于第k次迭代，求解：其中，Δx
k
为第k次迭代的迭代增量，J(x)
T
＝(exp(ξ^))^V
b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：边有钢，李若天，张润邦，王广才，崔庆佳，秦晓辉，王晓伟，秦洪懋，秦兆博，谢国涛，徐彪，胡满江，丁荣军，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：