[發明專利]基于海底地形匹配的AUV多策略導航方法

有效

• 申請號: 202010343604.1
• 申請日: 2020-04-27
• 公開（公告）號: CN111486845B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 何波;張昕;嚴天宏;沈鉞;年睿;榮生輝;馮晨;李光亮
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S15/89
• 代理公司: 青島匯智海納知識產權代理有限公司 37335
• 代理人: 王丹丹

本發明公開一種基于海底地形匹配的AUV多策略導航方法，基于機器學習算法構建地形適配區選擇模型，所述地形適配區選擇模型包括適宜地形匹配區域、地形匹配過渡區域和不適宜地形匹配區域；具體導航時，通過采集的實時數據分析導航區域類型，針對適宜地形匹配區域時，基于多波束聲吶水下地形高程圖像匹配輔助方法進行導航；針對地形匹配過渡區域時，開啟側掃聲吶，同時利用多波束測深儀和側掃聲吶數據，進行水下側掃聲吶圖像匹配輔助船位推算進行導航；針對不適宜地形匹配區域，開啟側掃聲吶，基于同時定位與地圖構建算法進行導航，該導航方法在實際應用中具有更好的意義和價值。

技術領域

本發明涉及AUV自主導航領域，具體涉及一種基于海底地形匹配的AUV多策略導航方法。

背景技術

隨著組合導航的發展，水下航行器在海底航行時，由于沒有GPS導航，一般會采用基于慣性/航位推算的方法，并配備昂貴的輔助設備，如姿態航向參考系統或多普勒速度記錄儀；然而由于慣性傳感器本身的原理和特性，慣性導航系統會隨著時間而產生累計誤差，不能實現水下長時間的高精度導航。目前主要的解決方法是使AUV上浮接收GPS信號，以修正累積誤差，但是這種方式不利于AUV在水下的任務執行。

作為一種地球物理導航方法，地形匹配導航(TAN)可以為AUV的遠程水下操作提供精確的位置估計比如，比如公開號為【CN102722749A】的發明專利公開“一種基于粒子群算法的自適應三維空間路徑規劃方法”，但是，該方法只是規劃傳統的避障路徑，并沒有考慮地形的導航能力，而且在機器人執行路徑時不能考慮地形信息的改變而實時修改路徑。又如，“AUV水下地形匹配導航的路徑規劃方法”，該論文提出的適配區域的扇形搜索方法，以距離最短為前提，并沒有考慮匹配區域地形導航能力差的問題，并且在在機器人執行路徑時不能考慮地形信息的改變而實時修改路徑。

針對現有AUV導航存在的缺陷，本發明提出一種新的多策略導航算法，以克服上浮校正位置信息的缺陷，基于機器學習算法的地形適配區選擇模型，針對不同地區特征，選擇不同策略的AUV導航。

發明內容

本發明提出一種基于海底地形匹配的AUV多策略導航方法，基于機器學習算法構建地形適配區選擇模型，針對不同地區特征，設計對應的導航策略進行導航，以提高其適應性和導航精度。

本發明是采用以下的技術方案實現的：一種基于海底地形匹配的AUV多策略導航方法，包括以下步驟：

步驟A、構建地形適配區選擇模型，地形適配區的分類包括適宜地形匹配區域、地形匹配過渡區域和不適宜地形匹配區域；

步驟A1、采集模型訓練先驗數據集，并對其進行網格化預處理，得到地形格網；

步驟A2、基于滑動窗口思想遍歷地形格網，構建輸入特征向量，作為地形適配區選擇模型的輸入，所述輸入特征向量包括地形格網中各格網節點的高程數據H_ij以及地形標準差σ、地形相關系數R、地形熵H_f以及地形粗糙度r；

步驟A3、基于預判地形適配區類型，得到地形適配區選擇模型標簽，并對其進行訓練；

步驟B、基于步驟A構建的地形適配區選擇模型，進行AUV水下多策略導航，具體包括：

步驟B1、載入地形適配區選擇模型，基于AUV搭載的傳感器實時采集導航相關數據并對地形適配區進行分類，若AUV處于適宜地形匹配區域，則執行步驟B2，若AUV處于地形匹配過渡區域，則執行步驟B3，若AUV處于不適宜地形匹配區域，則執行步驟B4；

步驟B2、當AUV處于適宜地形匹配區域時，基于多波束測深聲吶水下地形高程圖像匹配輔助方法進行導航；

步驟B3、當AUV處于地形匹配過渡區域時，開啟側掃聲吶，同時利用多波束測深聲吶和側掃聲吶數據，進行水下側掃聲吶圖像匹配輔助船位推算進行導航；