水下多目标协同定位算法研究

发布时间：2020-05-22 19:50

【摘要】：近年来,随着海洋的开发和使用,自主式水下潜器在深海资源勘测、水文环境监测、深水排雷等民/军用领域发挥着重要作用,在AUV进行水下作业时自身的位置信息必不可少,是其顺利完成任务和返回的重要保障,当需要长时间远距离的对未知环境进行勘探或者其他作业时,惯性导航因为自身特性定位误差会随着工作时间的增加而逐渐增长,而通过多普勒测速仪进行定位其精度会随着航行路程的增加而逐渐下降,采用母船跟随或是提前布设信标并进行标定的成本太高,而且很容易受到天气或是水中环境的影响导致定位效果不理想等问题,具有较大的局限性。协同定位算法正是为了解决这些问题而出现,其定义为通过各个AUV之间信息传递从而利用团队中其他AUV对待定位AUV进行位置修正和定位的方法,协同定位由于其必要性和重要性逐渐成为水下AUV定位的主流研究方向与研究热点。本文对现有的协同定位算法和实验案例进行分析研究,现有方法存在以下问题:1、无法同时对多个AUV进行定位;2、定位过程中传递信息过多3、AUV数目增多时一些算法计算量过大。针对主从式AUV结构,为了解决上述存在的问题,本文使用一种基于间接平差和赫尔墨特方差估计的协同定位算法,使用任意两AUV之间的距离信息和所有AUV自身的速度信息作为观测量,并把AUV自身具有误差的位置信息作为观测量加入到平差方程,通过协同定位算法对观测量进行修正,使得在一个协同定位周期内,团队内的所有AUV根据距离信息等传感器辅助修正自身位置而且可以获得所有其他AUV的位置信息从而进行调整自身航向和阵型,并使团队内AUV的位置精度达到同一量级。本文对协同定位的性能评估方式进行讨论分析,给出了评价标准。对于协同定位算法逐一仿真分析了测距误差、速度误差以及不同阵型对定位精度的影响,经过仿真可知,其中主AUV速度误差对团队定位精度影响最大,当其误差为0.01m/s,航行50min后团队AUV的平均相对位置误差为150m,测距误差和从AUV速度误差对定位精度影响较小,当从AUV速度误差为0.1m/s时,航行50min后团队AUV的平均相对位置误差约为3m,测距误差为0.3m且精度为0.5m时,航行50min后团队AUV的平均相对定位误差约为4m。故实际作业中在考虑到降低AUV成本而定位精度下降较小的前提下,应着力提高主AUV速度传感器精度,从AUV速度传感器和测距要求相对可以降低。最后对松花湖试验数据进行处理,以水面载体模拟主AUV,以四只信标代替从AUV进行湖上实验,验证协同定位算法在实际中的可行性。实验数据证明,在实际场景中,其中主AUV的位置信息用固定于水面载体上周期为2s的GPS信息代替,其精度在厘米级别,以信标标定的位置作为真值,计算可得四个从AUV的平均定位误差分别为0.503m、0.543m、0.571m、0.486m,其中4只从AUV的定位误差均在1m以下的周期数占周期总数的百分之九十以上。本文所使用的协同定位算法通过了仿真和实验数据处理的验证,能够满足在实际作业中同时对多个AUV协同定位、减少AUV间信息传递和计算量的要求,主AUV位置信息和速度精度足够高时,在获得准确等效声速基础上,可以对从AUV进行实时协同定位。
【图文】：

声速剖面,信标

图 4. 4 声速剖面仪验证本文所提出的协同定位算法在实析。实验中采用 4 只信标模拟从 AUVUV 自身有实时的 GPS 信息输入，通自身位置信息和从 AUV 间距离信息，出来的坐标与标定坐标进行比对，两并结合第三章仿真结果分析造成定位水底，其位置保持不变，为了获取任意标发送询问信号其余三只信标收到后工作模式通过水面甲板单元发送信号信号汇总，，即可获得任意两只信标之以等效为平面距离。由于每组数据含从 AUV 间测距信息的精度。

信标,天线,实物,换能器

如图 4.1 所示。GPS 天线和换能器安装如图等噪声的影响，在换能器周围包裹泡沫吸收传播式工作，以 8s 为周期实时获取主从 AUV 之间的验中首先完成了四只参考节点的布放和定位，并的距离并上传到上位机，结果如表 4.1 所示。面
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941;U675.7

【参考文献】