[發明專利]一種無人船多傳感器數據融合的導航系統及其設計方法

在審

• 申請號: 201910142668.2
• 申請日: 2019-02-26
• 公開（公告）號: CN109813307A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 彭周華;張斌;王丹;劉陸;王浩亮;古楠
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

本發明公開了一種無人船多傳感器數據融合的導航系統及其設計方法，所述的導航系統包括全球定位系統數據采集單元、慣性導航系統數據采集單元、數據預處理單元、捷聯解算單元、數據融合單元和輸出單元。本發明采用基于非線性觀測器的方法進行無人船的位置和速度狀態估計，不僅簡化了參數的調節過程，而且更加明確了所設計數據融合方法的收斂特性。本發明所提出的導航系統的數據融合方法不需要速度傳感器的測量的速度信息，僅通過對位置和加速度信息的融合就能估計出無人船的位置和速度信息，不僅減少了傳感器的使用，降低了成本，而且減少了傳感器噪聲干擾的多樣性。本發明能夠將帶有測量噪聲的測量信息有效整合，獲得實際的位置和速度信息。

技術領域

本發明涉及無人船導航系統設計領域，尤其涉及一種針對無人船的多傳感器數據融合的導航系統及其設計方法。

背景技術

水面無人船導航是研究水面無人船技術的重要內容，在水面無人船的應用中發揮著不可替代的作用。無人船導航就是無人船在外界環境中移動時，利用相關的傳感器(雷達、慣性系統、全球衛星導航系統、磁羅盤、視覺傳感器、計程儀等)獲取無人船的位置、速度和姿態信息，然后確定移動的方向和速度。無人船的姿態信息獲取是實現無人船的基本運動以及智能運動的關鍵，是保證海洋作業、海洋任務等安全進行的必要保證。

導航系統可以分為自主式導航和非自主式導航兩種，自主式導航主要指慣性導航，不需要外界的參考信息，而非自主式導航正好相反，需要外界的參考信息，主要包括天文導航和衛星導航等。慣性導航的原理是通過牛頓力學定律對慣性測量器件(加速度計和陀螺儀)進行導航解算，得到載體的姿態。優點是精度高，不易受環境干擾，缺點是誤差會隨時間積累，不能長期有效導航；非自主式導航應用最多的是全球導航衛星系統，它的基本原理是通過軌道衛星提供的載波、偽距等信息得到載體姿態。優點是不存在積累誤差，缺點是易受環境干擾。所以，單一的導航系統已經不能滿足人們的需求，組合導航技術應運而生。

現階段，國內外對于無人船姿態獲取的研究主要集中于組合導航技術。組合導航技術就是利用多個傳感器的信息應用數據融合算法得到更高精度的載體姿態信息。然而，現有的技術存在以下不足：第一，多種傳感器的使用會使得噪聲更加多樣和復雜，目前通常使用的方法并沒有考慮傳感器測量數據的噪聲干擾問題，不能有效克服多種傳感器在不同環境下對系統造成的干擾，將會導致導航數據不夠精確，可能造成嚴重后果；第二，現有無人船導航系統姿態獲取的數據融合算法主要集中在與卡爾曼濾波器設計相關的方面，存在設計的導航系統計算量大、參數調節困難和收斂性質不明確等缺點。因此，盡可能減少傳感器的使用，并且考慮測量噪聲對數據融合的影響，通過基于非線性觀測器的多傳感器數據融合技術實現無人船導航系統能夠獲得實時的姿態信息是具有重要的應用價值。

發明內容

為解決上述背景技術中存在的不足，本發明要提出一種不僅可以更好的提高數據的實時性和準確性，而且能夠簡化參數的調節過程、減小計算量、降低使用成本、明確導航系統收斂性的無人船多傳感器數據融合的導航系統及其設計方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種無人船多傳感器數據融合的導航系統，包括全球定位系統數據采集單元、慣性導航系統數據采集單元、數據預處理單元、捷聯解算單元、數據融合單元和輸出單元，所述的數據融合單元包括比較單元、比例單元1、加法單元1、比例單元2、旋轉單元1、旋轉單元2和加法單元2；