[發明專利]基于長基線和信標在線標定的水下機器人組合導航方法

有效

• 申請號: 201610944484.4
• 申請日: 2016-10-26
• 公開（公告）號: CN107990891B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 王軼群;李波;劉健;趙宏宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01S5/22
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

本發明涉及基于長基線聲學定位和信標在線標定的組合導航方法，實現水下機器人的水下導航定位。本發明包括：利用AUV不同時刻的單信標斜距測量值，實現在線標定各個長基線信標位置；建立基于長基線聲學定位和慣性導航數據融合的卡爾曼濾波器，計算組合導航的位置估計。本方法能夠有效融合長基線定位和慣性導航數據，具有較高的導航定位精度；本方法移植方便，可以適用于各種潛航器水下導航定位。

技術領域

本發明涉及水下機器人技術領域，尤其涉及一種無人自治水下機器人(簡稱AUV)的基于長基線聲定位和信標在線標定技術的水下機器人組合導航方法，實現AUV水下高精度組合導航定位。

背景技術

在海洋應用中，水下機器人發揮越來越重要的作用。水下機器人分成兩類：一種是遙控式有纜水下機器人(簡稱ROV)，一種是無人自治水下機器人(簡稱AUV)。ROV需要水面母船支持，同時受到電纜長度的限制，其作業距離有限，一般只有幾百米；而AUV自身攜帶能源，可以遠離母船，活動距離達到幾十公里甚至上百公里。所以AUV的研究越來越受到各國的重視，AUV的發展代表了未來水下機器人的發展方向。而水下組合導航定位技術是AUV發展的關鍵和制約的瓶頸。因為水下環境的特殊性，無法像陸地直接使用差分GPS導航定位，所以目前水下導航定位主要有兩類：慣性導航數據和水聲定位導航數據。慣性導航數據短航程時定位精度高，但隨著航程的增加，累積的導航誤差降低了系統的導航精度；水聲定位導航數據以長基線定位精度最高，長基線定位系統(簡稱LBL)的基陣長度一般在幾千米，需要在海底布設3個以上的信標(一般布設4個信標，其中1個信標是備份信標)，通過測量AUV與信標之間的距離來確定AUV的位置。長基線定位的優點是定位精度較高，并且定位誤差不隨時間的增加而累積，有效地解決了慣性導航系統的累積導航誤差問題，所以現在廣泛將長基線數據和慣性導航數據組成組合導航系統，實現高精度水下定位。但是長基線定位的使用也存在一些問題，第一，受到海洋環境干擾，長基線定位常常出現噪點，無法直接用于導航定位；第二，淺水工況下長基線信標標定精度較高，但是深水工況下長基線信標標定精度不是很理想。長基線在使用前需要布放信標和使用母船進行信標位置標定，而深水環境中水聲條件復雜，尤其2000米以上，母船標定的長基線信標標定結果隨著水深的增加而逐漸下降，影響長基線定位系統的定位精度，無法滿足高精度水下定位的要求。在深水工況下，如何將長基線定位數據和慣性導航數據有效數據融合，即抑制長基線定位噪點，又能抑制導航累積誤差，實現高精度水下定位，是深水組合導航重點研究的一個難題；如何減少深水工況下長基線信標標定誤差對導航系統的影響，也是深水組合導航的亟待解決的技術難題。

發明內容

為了解決濾波長基線定位和抑制導航系統累積誤差的問題，同時降低信標標定誤差對導航定位的影響，本發明要解決的技術問題是提出一種將基于長基線聲學定位和信標在線標定的新型組合導航方法，有效融合長基線定位和慣性導航定位數據，濾波長基線定位擾動對組合導航定位的干擾，降低了導航系統的累積誤差，同時在線標定信標位置，降低深水條件下母船標定信標產生的標定誤差對導航精度的影響。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：基于長基線和信標在線標定的水下機器人組合導航方法，包括以下步驟：

利用AUV不同時刻的單信標斜距測量值，在線標定各個信標位置得到各個信標的標定誤差；

根據標定誤差、通過基于長基線聲學定位的量測方程和慣性導航的預測方程估計組合導航的AUV位置。

標定誤差通過下式得到

[dx_i,dy_i]^T＝A^-1B

其中，