【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人船导航，尤其是一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统及导航方法。
技术介绍
1、近年来，我国近海海域屡次遭受浒苔侵袭，据自然资源部北海预报中心监测，黄海海域浒苔灾害规模已创历史最大值。针对当前监测手段对浒苔绿潮监测的时空分辨率低、数据时效性不足的问题，融合卫星遥感、人工智能、海洋科学、高端装备制造等多学科优势技术力量，建立多源浒苔绿潮观测体系显得尤为重要。无人船作为一种高新技术手段，很适合作为多源浒苔绿潮观测体系的载体。目前，无人船多以半自动化形式运行，具有完全自主航行能力的无人船是国内外研究的热点之一。为实现无人船自主化航行，自主导航技术是必须具备的一项关键技术，也是无人船实现浒苔绿潮观测的必然需求。现阶段应用于无人船自主导航的传感器主要有:声纳、地磁、惯导等。但是，这些传感器均有其自身的局限性。若采用传统传感器进行自主导航，其精度、可靠性均很难满足大范围长时间浒苔绿潮观测的要求。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统及导航方法。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，包括导航系统、控制系统、定位系统，所述导航系统、控制系统、定位系统均安装于无人船上，所述导航系统、控制系统、定位系统通信连接，所述定位系统包括惯导模块、浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块，所述惯导模块与无人船质心重合，所述全球定位模块安装于无人船船尾中心线上，所述浒苔近距离
3、上述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，所述全球定位模块、浒苔近距离图像识别模块的输出信息直接接入惯导模块，由惯导模块内部进行初步的组合运算输出组合导航信息，并将其作为无人船的主导航信息；所述全球定位模块作为备份坐标定位，用于输出无人船在海上位置信息；所述全球定位模块和惯导模块组成双备份方位角测量，输出无人船在海上方位角信息；所述浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块组成多信息融合制导系统，输出无人船在浒苔绿潮团中相对位置坐标、环境光照度、浒苔绿潮团中心方向信息。
4、上述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，所述浒苔近距离图像识别模块包括不少于4个海面浒苔绿潮监测视觉图像传感器，视场覆盖360°；所述惯导模块内部集成加速度计、光纤陀螺仪。
5、一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，应用于上述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，包括如下步骤：
6、步骤1，对无人船导航系统进行初始校准；
7、步骤2，接收惯导模块、浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块输出的信息后，使用改进的无迹卡尔曼滤波算法对三个模块数据进行融合，利用滤波器估算的误差校正相应的导航参数；
8、步骤3，使用slam算法读取3d栅格地图信息，将无人船的运动状态从载体坐标系转换到3d栅格地图坐标系。
9、上述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，所述步骤1具体包括：无人船初始对准、浒苔近距离图像识别模块初始校准、惯导模块的粗校准和精校准，所述无人船初始对准目的是精确确定载体坐标系和真实导航坐标系之间的初始方向余弦矩阵；所述浒苔近距离图像识别模块初始校准的目的是获得相机坐标系和真实导航坐标系之间的初始方向余弦矩阵。
10、上述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，所述步骤1具体初始校准过程包括：无人船在水面静止通电，对惯导模块进行粗校准；浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块数据反馈给惯导模块的条件下，通过走阶梯状轨迹，对惯导模块精校准；浒苔近距离图像识别模块、惯导模块、全球定位模块均开始工作，全球定位模块数据不反馈给惯导模块，浒苔近距离图像识别模块数据反馈给惯导模块的条件下，模拟在恶劣天气环境下，无法使用全球定位模块时的导航能力和导航精度；无人船使用浒苔近距离图像识别模块与惯导模块进行组合导航，根据8字形轨迹设定航迹，进行校准效果验证。
11、上述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，所述步骤2用改进的无迹卡尔曼滤波算法对三个模块数据进行融合的具体过程包括：将惯导模块作为公共参考模块，判断全球定位模块、浒苔近距离图像识别模块采集的信息是否有效，将惯导模块采集的信息与全球定位模块、浒苔近距离图像识别模块采集的有效信息进行两两融合，组成子滤波器，各子滤波器并行运行，在子滤波器局部量测的基础上获得子最优估计，在主滤波器内按照数据融合算法得到当前量测基础上的全局估计。
12、上述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，所述改进的无迹卡尔曼滤波算法具体过程包括：
13、以地理坐标系n作为导航坐标系，改进的无迹卡尔曼滤波算法的状态向量为：
14、;
15、其中， δl为纬度误差， δλ为经度误差， δh为深度误差， δν e为东向速度误差， δν n为北向速度误差， δv u为纵向速度误差，为横滚角误差，为航向角误差，为纵倾角误差；
16、惯导模块与全球定位模块构成的改进的无迹卡尔曼滤波算法子滤波器状态方程为：
17、;
18、测量方程为：
19、;
20、其中，,,表示滤波后惯导模块状态向量，表示滤波后全球定位模块状态向量，表示惯导模块状态更新向量，表示全球定位模块状态更新向量，表示导航模块状态向量，表示全球定位模块状态向量，表示全球定位模块中的白噪声，表示观测矩阵，表示导航模块所测纬度值，表示全球定位模块所测纬度值，表示惯导模块所测经度值，表示全球定位模块所测经度值，表示惯导模块纬度误差，表示全球定位模块纬度误差，表示惯导模块经度误差，表示全球定位模块精度误差，vl表示沿纬度方向速度，表示沿经度方向速度；
21、惯导模块与浒苔近距离图像识别模块构成的改进的无迹卡尔曼滤波算法子滤波器状态方程为：
22、；
23、测量方程为：
24、；
25、其中，，，表示滤波后浒苔近距离图像识别模块状态向量，表示浒苔近距离图像识别模块状态更新量，表示浒苔近距离图像识别模块状态向量，表示浒苔近距离图像识别模块中的白噪声，表示惯导模块东向速度误差，表示浒苔近距离图像识别模块东向速度误差，表示惯导模块北向速度误差，表示浒苔近距离图像识别模块北向速度误差，表示惯导模块纵向速度误差，表示浒苔近距离图像识别模块纵向速度误差，ve表示动向速度，vn表示北向速度，vu表示纵向速度，hdvl表示浒苔近距离图像识别模块观测向量；
26、子滤波器单独进行时间更新本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，其特征在于，包括导航系统、控制系统、定位系统，所述导航系统、控制系统、定位系统均安装于无人船上，所述导航系统、控制系统、定位系统通信连接，所述定位系统包括惯导模块、浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块，所述惯导模块与无人船质心重合，所述全球定位模块安装于无人船船尾中心线上，所述浒苔近距离图像识别模块高于海平面1.5米以上，正面摄像头与无人船推进器前进方向一直，正下方与惯导模块位于一条直线。
2.根据权利要求1所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，其特征在于，所述全球定位模块、浒苔近距离图像识别模块的输出信息直接接入惯导模块，由惯导模块内部进行初步的组合运算输出组合导航信息，并将其作为无人船的主导航信息；所述全球定位模块作为备份坐标定位，用于输出无人船在海上位置信息；所述全球定位模块和惯导模块组成双备份方位角测量，输出无人船在海上方位角信息；所述浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块组成多信息融合制导系统，输出无人船在浒苔绿潮团中相对位置坐标、环境光照度、浒苔绿潮团中心方向信息。
3.根据权利要求1所述的一种用于
4.一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，应用于权利要求1-3任一项所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：无人船初始对准、浒苔近距离图像识别模块初始校准、惯导模块的粗校准和精校准，所述无人船初始对准目的是精确确定载体坐标系和真实导航坐标系之间的初始方向余弦矩阵；所述浒苔近距离图像识别模块初始校准的目的是获得相机坐标系和真实导航坐标系之间的初始方向余弦矩阵。
6.根据权利要求4所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，其特征在于，所述步骤1具体初始校准过程包括：无人船在水面静止通电，对惯导模块进行粗校准；浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块数据反馈给惯导模块的条件下，通过走阶梯状轨迹，对惯导模块精校准；浒苔近距离图像识别模块、惯导模块、全球定位模块均开始工作，全球定位模块数据不反馈给惯导模块，浒苔近距离图像识别模块数据反馈给惯导模块的条件下，模拟在恶劣天气环境下，无法使用全球定位模块时的导航能力和导航精度；无人船使用浒苔近距离图像识别模块与惯导模块进行组合导航，根据8字形轨迹设定航迹，进行校准效果验证。
7.根据权利要求4所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，其特征在于，所述步骤2用改进的无迹卡尔曼滤波算法对三个模块数据进行融合的具体过程包括：将惯导模块作为公共参考模块，判断全球定位模块、浒苔近距离图像识别模块采集的信息是否有效，将惯导模块采集的信息与全球定位模块、浒苔近距离图像识别模块采集的有效信息进行两两融合，组成子滤波器，各子滤波器并行运行，在子滤波器局部量测的基础上获得子最优估计，在主滤波器内按照数据融合算法得到当前量测基础上的全局估计。
8.根据权利要求7所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，其特征在于，所述改进的无迹卡尔曼滤波算法具体过程包括：
...【技术特征摘要】
1.一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，其特征在于，包括导航系统、控制系统、定位系统，所述导航系统、控制系统、定位系统均安装于无人船上，所述导航系统、控制系统、定位系统通信连接，所述定位系统包括惯导模块、浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块，所述惯导模块与无人船质心重合，所述全球定位模块安装于无人船船尾中心线上，所述浒苔近距离图像识别模块高于海平面1.5米以上，正面摄像头与无人船推进器前进方向一直，正下方与惯导模块位于一条直线。
2.根据权利要求1所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，其特征在于，所述全球定位模块、浒苔近距离图像识别模块的输出信息直接接入惯导模块，由惯导模块内部进行初步的组合运算输出组合导航信息，并将其作为无人船的主导航信息；所述全球定位模块作为备份坐标定位，用于输出无人船在海上位置信息；所述全球定位模块和惯导模块组成双备份方位角测量，输出无人船在海上方位角信息；所述浒苔近距离图像识别模块、全球定位模块组成多信息融合制导系统，输出无人船在浒苔绿潮团中相对位置坐标、环境光照度、浒苔绿潮团中心方向信息。
3.根据权利要求1所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，其特征在于，所述浒苔近距离图像识别模块包括不少于4个海面浒苔绿潮监测视觉图像传感器，视场覆盖360°；所述惯导模块内部集成加速度计、光纤陀螺仪。
4.一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，应用于权利要求1-3任一项所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航系统，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种用于浒苔跟踪的无人船组合导航方法，其特征在于，所述步骤1具体包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：于振，万俊贺，刘海林，寇磊，李辉，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。