[發明專利]基于FMSRUPF算法的AUV對接回收自主導航方法

在審

• 申請號: 201811354176.1
• 申請日: 2018-11-14
• 公開（公告）號: CN109375646A
• 公開（公告）日: 2019-02-22
• 發明（設計）人: 曾慶軍;包靈卉;朱志宇;戴曉強;趙強
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08;G01S19/49;G06F17/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發明公開了一種基于FMSRUPF算法的AUV對接回收自主導航方法，即針對AUV對接回收基于SINS/USBL/DVL的自主導航，提供了一種衰減記憶平方根無跡粒子濾波算法即FMSRUPF算法，并對其重采樣部分采用系統組合粒子重采樣方法。所采用的FMSRUPF算法利用衰減因子減小歷史信息對濾波的影響，增強當前量測信息在濾波計算中的作用，然后將協方差矩陣的平方根陣代替協方差矩陣進行濾波解算，最后用系統組合粒子重采樣方法對重采樣過程進行改進。本發明通過FMSRUPF算法和系統組合粒子重采樣方法解決了AUV對接回收系統模型建立粗糙或失真引起的濾波發散問題，并且結合了良好的數值特性和中等的計算負擔，有效提升了AUV對接回收自主導航系統的定位精度和穩定性。

技術領域

本發明涉及一種基于FMSRUPF算法的AUV對接回收自主導航方法，屬于機器人技術領域。

背景技術

AUV(Autonomous Underwater Vehicle無纜自主水下機器人)，這類水下機器人通過自身攜帶的能源設備提供動力，具有下潛深度深、活動范圍廣、隱蔽性高等特點，但是由于自身能源限制，AUV作業時間有限，這就需要及時回收機器人進行能源補給和維修。在實際回收過程中，復雜的水下環境和水下回收的高精度的控制要求又使得AUV回收困難重重，怎樣精確節能的回收AUV更是成為當前水下機器人研究的重中之重。

在回收過程中，導航問題仍然是面臨的主要技術挑戰之一。導航系統必須為水下運載器提供遠距離、長時間范圍內的精確姿態、速度及位置信息。精確的導航能力是水下運載器有效應用和安全回收的一個關鍵技術，但由于水下機器人質量輕、慣性小，對噪聲響應靈敏，加上有限的測量傳感器，實現水下運載器的精確導航是一項復雜而艱巨的任務。水聲定位系統在水下的特殊環境中具有獨特的優勢，水聲信號在水中傳播速度快且相對的能量衰減率小，水聲定位系統可以提供三維的位置信息，定位精度較高，動態性能較好。

USBL(Ultra-Short Baseline超短基線定位系統)利用聲學定位技術實現對水下目標的定位和跟蹤。該導航系統定位精度較高，機動范圍較大，可以適應深海復雜的作業環境。與其他基于聲學定位的基線系統相比，USBL基線尺寸較小(一般在幾厘米至十幾厘米的量級)、靈活性高、操作簡單、成本較低，因此在水下作業和海洋開發等工程領域得到了廣泛應用，但是USBL由于易受海洋環境的影響，經常會出現數據跳動或數據丟失現象，連續性差，在某些需要高精度導航定位的場合受到較大的限制。

SINS(Strapdown Inertial Navigation Systems捷聯慣性導航系統)利用陀螺儀和加速度計測量載體相對于慣性空間的角速度和加速度信息，通過解算可求出載體的三維速度、位置和姿態信息。SINS不需要任何外來信息，也不向外輻射信息，僅依靠系統自身就能在全球范圍內實現全天候、全天時、自主、隱蔽、連續的定位和定向。該系統已被廣泛地應用于航海、航空、航天、交通等各個領域。但是，隨著系統工作時間的延長，SINS系統的導航誤差會隨之積累增長，此時就需要利用外部傳感器的觀測信息通過濾波算法來修正補償SINS系統，以抑制其隨時間積累的誤差。

DVL(Doppler Velocity Log多普勒計程儀)是廣泛應用于水下及水面航行器組合系統的速度測量裝置，具有實時輸出載體三維速度與航程能力的聲學導航定位系統。DVL系統利用安裝在載體上的超聲換能器向海底發射超聲波，并根據多普勒效應原理測量載體速度，具有抗干擾能力強、反應快、隱蔽性好、速度測量精確和穩定性高等優點。但是當DVL的波束超出了有效射程范圍，測速精度會嚴重下降，且DVL的測速精度還受到水溫、水壓、地形和鹽度等外界因素的影響。