相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法技术

本发明专利技术涉及一种相对坐标与追踪坐标相结合的多AUV（水下自主航行器）自主定位方法，属于水下无线网络领域。本方法利用水下多AUV节点之间的距离，去校正各节点内的追踪坐标值，减小追踪误差，延长AUV节点在水下有效工作的时间，无需采用传统的水面定位浮标或者水底定位锚标。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种相对坐标与追踪坐标相结合的多AUV（水下自主航行器）自主定位方法，属于水下无线网络领域。本方法利用水下多AUV节点之间的距离，去校正各节点内的追踪坐标值，减小追踪误差，延长AUV节点在水下有效工作的时间，无需采用传统的水面定位浮标或者水底定位锚标。【专利说明】相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法
本专利技术涉及一种相对坐标与追踪坐标相结合的多AUV (水下自主航行器)自主定位方法，属于水下无线网络领域。
技术介绍
电磁波信号无法穿透水体传播，因此类似GPS等定位信号无法为水下工作的AUV节点提供坐标定位信息。当前水下无线通讯主要使用声学信道。目前AUV主要定位技术是采用类似于“遥控”的远程声波定位控制技术，例如长基线LBL(long baseline)、短基线SBL(short baseline)和超短基线USBL (ultra short baseline)等声控定位技术。此外还出现了借鉴GPS定位技术的水面浮标(buoy,采用电波和声波双通道)和水底锚标(anchor,采用声波通道)定位技术。此外，另一种定位技术是在AUV上装备各种导航定位仪器，比如陀螺仪、水深仪、多普勒测速仪DVL (Doppler Velocity Log)等。利用这些仪器获取AUV节点的追踪坐标值。但这些技术在某些特定的应用场合都存在不足。例如，声控方法有距离限制，并且当声控设备和AUV之间存在遮挡物时会造成声学信号严重衰减。而浮标和锚标方法必须事先在规划工作区域铺设定位坐标参照点，当其长期存在时，容易暴露目标，不利于隐藏，并且其补充能量也是个很大的挑战。而在AUV的某些应用中，其工作区域无法提前获知，更无法事先布设定位参照点。而导航仪器都存在仪器误差，并且属于累计误差，如果没有校正措施，误差最终会使追踪坐标值失去利用价值。在前期研究资料时发现，虽然声学通讯系统延迟很大，对通讯带宽不利，但在利用收发双方时间差(传播延迟)方式测距的系统中，比如利用TDOA (Time Differences OfArrival)或者TOA (Time Of Arrival,要求收发双方时间完全同步)测距的系统中，由于处理器有更充分的时间进行收发和处理，可以得到比高速无线电波更准确的距离数据。因此可以得到水下AUV节点间非常精确的距离数据。以TDOA为例，假设节点A在时间点ts向节点B发送了一条消息，B收到后向A发出一条反馈，A在时间点ta收到了 B的反馈，则A和B之间的距离为(ta-ts- α)*υ a/2，其中α是预设的节点收到消息再转发回去的时间消耗，Ua是声学信号在水中的传播速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有AUV应用容易产生累计误差，使追踪坐标值失去利用价值的问题，提出一种相对坐标与追踪坐标相结合的多AUV (水下自主航行器)自主定位方法。本方法无需采用传统的水面定位浮标或者水底定位锚标，而是利用水下多AUV节点之间的距离，去校正各节点内的追踪坐标值，减小追踪误差，延长AUV节点在水下有效工作的时间。其具体实施步骤如下:步骤一，在η个AUV中选定任意一个AUV作为基准点，η为AUV的总数量。步骤二，获取各个AUV的追踪坐标值(AUV通过自身的导航仪器估算出的地理坐标值)，其中基准点的追踪坐标值为N1 Cx1, y1； Z1),其余AUV的追踪坐标值分别为N2 (x2, y2,z2),......，Nn (χη? yn? ζη)ο步骤三，计算各点到基准点的相对距离。具体方法为:各AUV向周围广播其坐标信息，根据声波传播速度以及到达时间计算出各个AUV与基准点间的距离，依次记为Cl1,......? dd ο步骤四，利用距离和基准点，计算其他点的推算坐标。为确定各点之间的相对位置关系，采用距离坐标构建法(RBL-range basedlocalization)寻找各点的推算坐标。在N1N2所在直线上寻找N2点的推算坐标为(x' 2,y' 2，Z' 2)。具体方法为:(Χ' 2，I' 2，Z' 2)与(Xl，yi，Z1)，(X2，y2，Z2)在同一条直线上，并且满足【权利要求】1.相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法，其特征在于:具体实施步骤如下: 步骤一，在η个AUV中选定任意一个AUV作为基准点，η为AUV的总数量； 步骤二，获取各个AUV的追踪坐标值，其中基准点的追踪坐标值为N1 Cx1, y1； Z1),其余AUV 的追踪坐标值分别为 N2 (x2, y2, z2),......,Nn (xn, yn, zn)； 步骤三，计算各点到基准点的相对距离；具体方法为:各AUV向周围广播其坐标信息，根据声波传播速度以及到达时间计算出各个AUV与基准点间的距离，依次记为Clpd2,……，d.un-l， 步骤四，利用距离和基准点，计算其他点的推算坐标； 为确定各点之间的相对位置关系，采用距离坐标构建法寻找各点的推算坐标；在N1N2所在直线上寻找N2点的推算坐标为(X' 2，y' 2，z' 2);具体方法为:(x' 2，y' 2，z' 2)与(X1, y1; Z1)，(x2, y2, z2)在同一条直线上,并且满足 2.根据权利要求1所述的相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法，其特 征在于：追踪坐标值为AUV通过自身的导航仪器估算出的地理坐标值。3.根据权利要求1所述的相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法，其特 征在于：Fmin的计算结果小于等于D.4.根据权利要求1所述的相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法，其特 征在于：误差程度的计算方法为：用追踪坐标和修正坐标之间的距离差，除以所有点追踪 坐标和修正坐标距离差的均值.5.根据权利要求1所述的相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法，其特 征在于：阈值通过经验取值，能够设定为1. 5或者2。【文档编号】G01S19/40GK103558622SQ201310537456【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日 【专利技术者】张全新, 高越, 秦贺, 李元章, 马忠梅, 张雪兰, 谭毓安 申请人:北京理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
相对距离与追踪坐标值相结合的多AUV自主定位方法，其特征在于：具体实施步骤如下：步骤一，在n个AUV中选定任意一个AUV作为基准点，n为AUV的总数量；步骤二，获取各个AUV的追踪坐标值，其中基准点的追踪坐标值为N1（x1，y1，z1），其余AUV的追踪坐标值分别为N2（x2，y2，z2），……，Nn（xn，yn，zn）；步骤三，计算各点到基准点的相对距离；具体方法为：各AUV向周围广播其坐标信息，根据声波传播速度以及到达时间计算出各个AUV与基准点间的距离，依次记为d1，d2，……，dn?1；步骤四，利用距离和基准点，计算其他点的推算坐标；为确定各点之间的相对位置关系，采用距离坐标构建法寻找各点的推算坐标；在N1N2所在直线上寻找N2点的推算坐标为（x′2，y′2，z′2）；具体方法为：（x′2，y′2，z′2）与（x1，y1，z1）,（x2，y2，z2）在同一条直线上，并且满足d1=(x1-x2′)2+(y1-y2′)2+(z1-z2′)2(x2-x2′)2+(y2-y2′)2+(z2-z2′)2<(x1-x2′)2+(y1-y2′)2+(z1-z2′)2步骤五，按照步骤四的方法，分别得到其余AUV的推算坐标值（x′3，y′3，z′3）……（x′n，y′n，z′n）；基准点的推算坐标值仍为（x1，y1，z1）；步骤六，在保持各个节点间距离不变的情况下，进行非线性等式约束最优化，修正追踪坐标；具体方法为：步骤6.1，计算各AUV的追踪坐标与推算坐标间的距离，并求和，记作D；D=(x1-x1)2+(y1-y1)2+(z1-z1)2+(x2-x2′)2+(y2-y2′)2+(z2-z2′)2+...+(xn-xn′)2+(yn-yn′)2+(zn-zn′)2步骤6.2，采用序列二次规划算法，寻找各点的修正坐标值，使D 的值最小并满足约束条件；约束条件有两个：1、各节点与基准点间的距离保持不变；2、相邻节点间的距离保持不变；其中各点的修正坐标值作为未知值，各点的修正坐标为N1（x′′1，y′′1，z′′1）,N2（x′′2，y′′2，z′′2），……，Nn（x′′n，y′′n，z′′n）；d1，d2，……，dn?1表示各点与基准点的距离，dn，dn+1，……，d2n?3表示各相邻节点间的距离；Fmin=(x1-x1′′)2+(y1-y1′′)2+(z1-z1′′)2+(x2-x2′′)2+(y2-y2′′)2+(z2-z2′′)2+...+(xn-xn′′)2+(yn-yn′′)2+(zn-zn′′)2约束条件为：(x1-x2′′)2+(y1-y2′′)2+(z1-z2′′)2-d12=0(x1-x3′′)2+(y1-y3′′)2+(z1-z3′′)2-d22=0......(x1-xn′′)2+(y1-yn′′)2+(z1-zn′′)2-dn-12=0(x2′′-x3′′)2+(y2′′-y3′′)2+(z2′′-z3′′)2-dn2=0(x3′′-x4′′)2+(y3′′-y4′′)2+(z3′′-z4′′)2-dn+12=0......(xn-1′′-xn′′)2+(yn-1′′-yn′′)2+(zn-1′′-zn′′)2-d2n-32=0步骤6.3，优化结束时，包括基准点在内的各个AUV节点...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张全新，高越，秦贺，李元章，马忠梅，张雪兰，谭毓安，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：