多UUV协同导航与定位研究

多水下无人航行器(UUV)协同导航定位技术是解决海洋中间层(Middle Depth Zone)水下导航问题的重要途径,研究了主从式多UUv基于水声传播延迟(Time-Of-Flight,TOF)的协同导航定位问题.主从式导航结构中,主UUV内部装备高精度导航设备,从UUV内部装备低精度导航设备,外部均装备水声装置测量相对位置关系,利用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法融合内部和外部传感器信息,对从UUV进行实时定位.研究结果表明,利用UUV的相对位置观测,可以显著提高导航定位精度.     

自适应联邦H∞滤波在水下组合导航系统中的应用

为了提高自主水下航行器组合导航系统精度,选择了捷联式惯性导航系统、多普勒速度声纳、电子磁罗经和海底地形匹配作为水下航行器组合导航系统导航传感器,建立了水下航行器组合导航系统的状态模型和导航传感器观测模型,提出了一种基于RBF神经网络进行联邦滤波信息分配的自适应联邦滤波信息融合方法并进行了计算机软件仿真试验,仿真实验结果表明:采用RBF神经网络进行信息分配系数的自适应调整的改进自适应联邦滤波器的水下航行器组合导航系统的导航姿态、速度和位置精度得到了提高,满足高精度水下组合导航的要求.新型信息融合方法克服了传统滤波容易发散的缺点,有效地提高了水下航行器组合导航系统的容错性能和导航精度.     

基于双水听器的多自主水下航行器协同导航方法

协同导航定位是实现多自主水下航行器(multiple autonomous underwater vehicles, MAUVs)协同作业必须解决的关键问题。针对主从式MAUVs,提出了一种基于双水听器信号的MAUVs协同定位方法。在主从式结构中,主AUV内部装备高精度导航设备,从AUV内部装备低精度导航设备,外部均装备水声装置测量相对位置关系,从AUV通过水声测量确定出相对距离和相对方位角,再辅以主AUV精确位置,得到从AUV精确位置。研究结果表明,利用主AUV作为协同导航定位,可以显著提高群体的导航定位精度。     

基于磁梯度张量的旋转永磁体定位技术

为解决现有无线导航定位系统在一些特殊场合定位精度不高甚至出现无法使用等问题,根据磁场信号穿透力强、可全天候工作的优势,提出了一种基于磁梯度张量(magnetic gradient tensor, MGT)的旋转永磁体三维定位技术。首先,利用旋转单永磁体作为磁信标产生固定频率的正弦磁场信号,在接收端依据信号特征采用总体最小二乘法提取信号。然后,利用Matlab软件对接收到的信号进行数据处理,解算出MGT及磁场强度的大小,通过建立数学模型求得位置信息。最后,在3种旋转频率下对所提出的方法进行实验验证,在45 m内的平均定位误差为0.24 m。分析表明，该方法能够有效降低环境磁场的干扰,具有隐蔽性、实时性等优点,在地下钻进系统、水下航行器运行等领域具有较好的发展前景。     

基于磁梯度张量的旋转永磁体定位技术

为解决现有无线导航定位系统在一些特殊场合定位精度不高甚至出现无法使用等问题,根据磁场信号穿透力强、可全天候工作的优势,提出了一种基于磁梯度张量(magnetic gradient tensor, MGT)的旋转永磁体三维定位技术。首先,利用旋转单永磁体作为磁信标产生固定频率的正弦磁场信号,在接收端依据信号特征采用总体最小二乘法提取信号。然后,利用Matlab软件对接收到的信号进行数据处理,解算出MGT及磁场强度的大小,通过建立数学模型求得位置信息。最后,在3种旋转频率下对所提出的方法进行实验验证,在45 m内的平均定位误差为0.24 m。分析表明，该方法能够有效降低环境磁场的干扰,具有隐蔽性、实时性等优点,在地下钻进系统、水下航行器运行等领域具有较好的发展前景。     

声速不确定条件下的运动水下航行器自定位

传统利用水下声学定位系统的航行器自定位存在两方面问题, 一方面没有考虑测量周期内航行器的运动, 另一方面没有考虑水声声速的不确定。为解决上述问题, 构建了航行器运动状态下的时间测量定位模型, 并对声速不确定性进行建模。分别推导了基于加权最小二乘的运动航行器定位方法和基于最大似然估计的声速更新方法。利用所提模型和时间测量, 不仅可以估计航行器位置, 还可以更新声速。仿真结果验证了本文所提方法在各种参数设置下均优于现有方法, 并且在时间测量噪声不大时可以达到克拉美罗下界(Cramer-Rao lower bound, CRLB), 在时间误差不大时, 声速更新结果显著提高。     

基于距离测量的双领航AUV间协同导航算法

针对多自主水下航行器(AUV)编队中因领航AUV一时无法借助外部有源位置信息进行实时校准,自身定位误差逐渐增大可能导致的编队解体问题,提出了一种基于距离测量双领航AUV间协同导航算法.在给出领航AUV航位推算误差模型的基础上,首先设计两个领航AUV分别基于忽略对方位置误差的估计自身误差的滤波算法,然后提出其位置误差的分别修正算法,最后通过对位置误差估计的可观测性分析,指出在直线航行条件下两个领航AUV可通过加、减速进行相对机动,保证其可观测性.仿真结果表明:两个领航AUV存在航位推算位置误差的情况下,随着滤波时间增加其定位误差可逐渐趋同,并收敛到其经、纬度定位误差的均值,验证了本文所提协同导航算法的可行性和有效性.     

基于信标漂移误差识别的长基线定位算法

针对长基线水声定位系统中信标位置漂移误差难以识别和估计的问题,分析了长基线水声定位系统中同步式测距系统时钟同步误差和应答式测距系统信标漂移误差的等效性,提出一种对有效声速系统误差进行修正的单信标测距定位算法。在此基础上提出一种在不掌握声场环境信息时可以有效识别信标漂移误差的长基线定位算法,利用有效声速分布范围对信标漂移误差进行识别,基于航迹融合后轨迹对固定信标位置漂移误差进行估计和修正。试验结果表明算法提高了长基线系统的定位精度和鲁棒性。     

水下航行器导航与控制一体化系统的半实物仿真试验设计

针对采用导航与控制一体化系统,即导航与控制传感器共用、导航与控制计算机合二为一的某型水下航行器,提出了一种半实物仿真试验方案,进行了半实物仿真。试验结果表明,导航、控制算法正确,计算精度满足使用要求,硬件之间的匹配性能良好,方案可行。该导航与控制一体化系统可应用到实际的水下航行器中。     

基于SINS/GBAS组合导航的高精度进近着陆导航技术

可重复使用运载器在进近着陆阶段对位置偏差有较高的精度要求, 而现有的组合导航方式的导航误差波动幅度较大, 难以满足运载器在进近着陆段的导航要求。因此,本文利用捷联惯导系统(strap-down inertial navigation system,SINS)的非线性误差传播模型, 以陆基增强系统(ground based augmentation system,GBAS)输出的精确位置信息为基础, 建立SINS/GBAS组合导航方法, 并给出“输出+反馈”的组合导航复合修正结构。通过在GBAS中引入电离层误差及对流层误差, 从而实现了对于运载器定位误差在厘米级的精确定位。此外,通过引入扩展卡尔曼滤波技术, 有效地抑制了惯导误差漂移的问题。通过数值模拟仿真, 证明SINS/GBAS组合导航对飞行器进近着陆段的水平与高程定位误差不大于0.05 m, 测速误差不大于0.05 m/s, 从而证实了SINS/GBAS组合导航方式在可重复运载器在进近着陆段导航的可行性。     

基于精英族系遗传算法的AUV集群路径规划

针对传统路径规划算法仅能规划单一最短路径且不能调节路径宽度而难以适用于自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)集群航路规划的缺陷, 提出了精英族系遗传算法(elite family genetic algorithm, EFGA)。该算法将基因适应度加入适应度评价函数中, 同时在进化过程中标记精英个体作为多路径规划结果, 并在该算法基础上针对AUV集群路径规划问题设计了一种多智能体路径规划(multi-agent path planning, MAPP)方法。仿真结果表明, 该算法可以求解无冲突路径集合实现MAPP, 通过实现AUV集群的最优多路径航行方案减少集群的航行耗时, 且能够满足不同AUV编队规模对可调路径宽度的需求。     

基于因子图的协同定位与误差估计算法

针对多自主水下航行器协同定位系统中从艇的数据融合问题,首先建立了协同定位系统的数学模型,然后分析了速度误差及航向误差对从艇定位误差的影响,同时设计了协同定位及误差估计的因子图模型.接着,提出了基于高斯噪声的协同定位及误差估计算法,利用均值和方差在因子图各节点间传递完成对从艇位置、速度误差和航向误差的估计.为了验证算法的...     

基于交互式模型的多AUV协同导航鲁棒性滤波算法

针对多自主式水下潜器(autonomous underwater vehicle,AUV)在协同导航过程中量测异常等问题,提出一种基于交互式模型的多AUV协同导航滤波算法。首先以建立多AUV协同导航基本模型为基础,给出基本的协同导航滤波过程;通过广义最大似然估计的滤波算法对受污染的量测噪声进行处理;进一步地,利用Schweppe形式下的广义最大似然估计解决量测出现的异常情况;运用交互式多模型算法解决由量测噪声时变而造成的滤波精度下降问题。最后仿真结果表明该协同导航滤波算法具有良好的自适应鲁棒性。     

基于分层SLAM的空地多智能体协同导航

针对单一智能体在导航过程中存在全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）易受遮挡或干扰,惯性导航存在误差累积的问题,提出基于视觉的分层即时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping,SLAM）空地多智能体协同算法。通过建立系统模型,采用基于扩展卡尔曼滤波融合欧氏点、逆深度点、锚定同质点3种不同特征点的分层SLAM算法,实现了对导航系统的辅助和增强。针对空地协同场景设计并开展了仿真实验。结果表明,空地多智能体协同算法可以将位置误差降低40%;而在使用锚定同质点以后,误识别率由49%降低至4%。实验验证该算法具有良好的定位精度、实用性和有效性。     

自主式水下潜器导航仿真系统研究

基于Windows网络平台用VC 语言开发出了自主式水下潜器(简称AUV)导航仿真系统,论述了仿真系统的体系结构、网络通信和数据交换;详细介绍了仿真系统中运动载体计算机和导航设备计算机的软件实现方法和关键技术;对重力匹配和地形匹配算法也作了相应的介绍;对仿真平台进行了仿真验证分析。结果表明,该仿真系统结构合理可靠,各子系统采用的数学模型和仿真算法正确可信。该仿真系统可作为演示、验证和评估AUV导航系统正确性、有效性和实用性的先进手段和科学方法,并已得到实际应用。     

基于信息熵的AUV地磁仿生导航方法

针对地磁异常引起磁参量变化规律失真,导致自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)导航搜索算法极易陷入局部极小的问题,提出了一种基于种群信息熵的进化搜索方法。该方法对地磁异常区域内信息熵的变化状态进行观测,通过预设的熵值门限值判断搜索算法是否进入磁异常区域,采用最大概率选择机制使算法跳出异常区域的干扰,避免算法陷入局部极小,并且对算法的收敛性进行证明。在未知环境下对AUV的导航搜索算法进行仿真,结果表明,利用熵值观测和最大概率选取的方法能够使得AUV在磁异常存在的情况下完成导航任务,验证了算法的有效性。     

变化海流环境下AUV能量最优三维路径规划

为获取变化海流环境下自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)的能量最优路径, 基于最优控制理论提出一种用于AUV的三维能量最优路径规划算法。首先, 为了有效抑制海流对路径规划的影响, 将海流向量加入到AUV运动学模型中。其次, 在已知俯仰角及AUV位置的情况下, 利用庞特里亚金极小值原理, 获得能量最优控制律。最后, 利用线性定常系统的状态空间理论, 计算得到初始艏向角、航速以及能量消耗。在仿真环节, 通过与负反馈控制策略相比较, 说明所提算法能够规划出三维能量最优路径, 而且可以有效降低AUV的能量消耗。     

贝叶斯网络增强型多模型AUV组合导航算法

针对复杂环境下自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)组合导航系统中存在噪声不确定或者易发生变化的情况,提出一种贝叶斯网络增强型交互式多模型(interactive multiple model filter based on Bayesian network,BN-IMM)滤波算法。该算法在多模型估计基础上,引入特征变量,并根据变量与系统模型之间存在的因果关系建立贝叶斯网络;利用贝叶斯网络参数修正多模型估计中的模型切换概率,能够降低多模型算法中真实模式识别对先验知识的依赖性。该算法能够解决交互式多模型(interactive multiple model,IMM)算法中模型转换存在滞后、模型概率易发生跳变等问题,增强多模型算法的自适应能力。以陀螺和加速度计的输出作为特征变量建立贝叶斯网络,对AUV组合导航系统进行仿真,结果表明所提出的BN-IMM算法相比于传统的IMM算法能够显著提高机动状态时模型转换速度和估计精度。