用于auv的全源導(dǎo)航系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于AUV的全源導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] AUV又稱(chēng)為自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle)，是目前廣泛應(yīng)用 的水下探測(cè)設(shè)備，其導(dǎo)航方法依據(jù)原理不同主要可以分為三大類(lèi):其一，聲學(xué)導(dǎo)航定位方 法;其二，利用地球物理特性進(jìn)行導(dǎo)航;其三，以慣性導(dǎo)航為主的航跡推算和最優(yōu)估計(jì)組合 導(dǎo)航方法。其中，聲學(xué)定位方法需要安裝聲波發(fā)送和接收設(shè)備，這些設(shè)備的安裝和標(biāo)定比較 困難，定位的作用范圍也有限，因而不適合遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)、任意海域的AUV導(dǎo)航。另外一種 方法即利用地球物理特性進(jìn)行水下導(dǎo)航是最近幾年國(guó)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，理論分析和內(nèi)場(chǎng) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示了這類(lèi)方法具有很大發(fā)展?jié)摿?，但是目前技術(shù)上還不夠成熟，離實(shí)際應(yīng)用 還有差距。當(dāng)前廣泛采用第三類(lèi)組合導(dǎo)航方法，即以慣性導(dǎo)航為主的航跡推算和最優(yōu)估計(jì) 組合導(dǎo)航。然而，AUV在水下航行時(shí)所處環(huán)境非常復(fù)雜，在不同的情況下需要分別借助多種 不同的傳感器或探測(cè)器，各種傳感器或探測(cè)器相互獨(dú)立，其應(yīng)用系統(tǒng)以及各自所采集的數(shù) 據(jù)也都是相互獨(dú)立，使得應(yīng)用范圍受到很大局限，例如，通過(guò)搜索定位僅能獲取不同的離散 位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而各點(diǎn)之間由于特殊地理環(huán)境可能無(wú)法準(zhǔn)確定位。另外，在應(yīng)用中有時(shí)需要 同時(shí)參考多種不同傳感器或探測(cè)器所采集的數(shù)據(jù)，這就需要繁雜的操作和大量的工作來(lái)分 別獲取感測(cè)數(shù)據(jù)以及將各自所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行繁瑣的后期處理，大大降低了工作效率。因 此，提供一種適用于AUV的全源導(dǎo)航方法與任意導(dǎo)航傳感器和敏感器快速集成，充分利用任 意可用的傳感器信息參與導(dǎo)航定位，發(fā)揮各傳感器的優(yōu)勢(shì)，滿足AUV在復(fù)雜的水下環(huán)境中的 導(dǎo)航需求是目前亟需解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于AUV的全源導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，以滿足目前的 需求。
[0004] 第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于AUV的全源導(dǎo)航系統(tǒng)，包括：
[0005] 基本導(dǎo)航模塊，獲取AUV的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算AUV的導(dǎo)航位置；
[0006] 實(shí)時(shí)地形獲取模塊，獲取AUV所在位置的實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)；
[0007]準(zhǔn)確地形獲取模塊，根據(jù)所述AUV的導(dǎo)航位置和所述實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)與參考地形數(shù) 據(jù)進(jìn)行匹配，得到AUV所在位置的準(zhǔn)確地形數(shù)據(jù)；
[0008] 校正數(shù)據(jù)獲取模塊，獲取AUV距海底的斜率數(shù)據(jù)作為校正數(shù)據(jù)；
[0009] 導(dǎo)航位置校正模塊，利用所述斜率數(shù)據(jù)對(duì)所述AUV的導(dǎo)航位置進(jìn)行校正；
[0010] 全源導(dǎo)航計(jì)算模塊，根據(jù)校正后的所述AUV的導(dǎo)航位置、AUV所在位置的準(zhǔn)確地形 數(shù)據(jù)進(jìn)行全源導(dǎo)航計(jì)算，得到AUV全源導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
[0011] 第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種如第一方面所述的全源導(dǎo)航系統(tǒng)的執(zhí)行方 法，包括：
[0012] 加載場(chǎng)景與傳感器信息，初始化濾波器狀態(tài)；
[0013] 根據(jù)傳感器狀態(tài)標(biāo)記傳感器操作；
[0014] 過(guò)濾傳感器數(shù)據(jù)；
[0015] 基于傳感器活動(dòng)添加或刪除傳感器；
[0016]進(jìn)行線性建模；
[0017] 根據(jù)處理間隔進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移；
[0018] 數(shù)據(jù)融合。
[0019] 第三方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種用于AUV的全源導(dǎo)航方法，包括如下步驟：
[0020] 獲取AUV的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算AUV的導(dǎo)航位置；
[0021 ]獲取AUV所在位置的實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)；
[0022]根據(jù)所述AUV的導(dǎo)航位置和所述實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)與參考地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到AUV 所在位置的準(zhǔn)確地形數(shù)據(jù)；
[0023]獲取AUV距海底的斜率數(shù)據(jù)；
[0024]利用該斜率數(shù)據(jù)對(duì)所述AUV的導(dǎo)航位置進(jìn)行校正；
[0025]根據(jù)校正后的所述AUV的導(dǎo)航位置、AUV所在位置的準(zhǔn)確地形數(shù)據(jù)進(jìn)行全源導(dǎo)航計(jì) 算，得到AUV全源導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
[0026] 本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)相比的有益效果為：
[0027] (1)本發(fā)明針對(duì)各種水下傳感器的特點(diǎn)，將多種傳感器信息進(jìn)行融合，發(fā)揮各傳感 器的優(yōu)勢(shì)；
[0028] (2)本發(fā)明提供的融合多種傳感器信息的全源導(dǎo)航方法，能夠擺脫對(duì)單一傳感器 的過(guò)度依賴(lài)，提供低成本、高可信的導(dǎo)航定位能力；
[0029] (3)本發(fā)明提供的系統(tǒng)架構(gòu)體系，以為復(fù)雜環(huán)境下提供高可信、低成本、無(wú)縫鏈接、 智能集成的優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)"即插即用"的軟件方案。
[0030] (4)本發(fā)明提供的在搜索定位和航跡跟蹤雙重模式下的地形匹配導(dǎo)航，利用航跡 跟蹤可以實(shí)現(xiàn)搜索定位間隔內(nèi)的實(shí)時(shí)精確導(dǎo)航，彌補(bǔ)了只依靠搜索定位實(shí)現(xiàn)連續(xù)定位困難 的問(wèn)題，適合于當(dāng)AUV在特定區(qū)域航行時(shí)，進(jìn)行連續(xù)精確導(dǎo)航定位的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例描述中所 需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施 例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)本發(fā)明實(shí)施 例的內(nèi)容和這些附圖獲得其他的附圖。
[0032] 圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例一所述的用于AUV的全源導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0033]圖2是本發(fā)明中的AUV的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)示意圖；
[0034]圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例二所述的用于AUV的全源導(dǎo)航方法的流程圖；
[0035]圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例四所述的用于AUV的全源導(dǎo)航系統(tǒng)的執(zhí)行方法的流程。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為使本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面 將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅 是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在 沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0037]下面結(jié)合附圖并通過(guò)【具體實(shí)施方式】來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0038] 實(shí)施例一
[0039]圖1是本實(shí)施例所述的用于AUV的全源導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示，所述全源 導(dǎo)航系統(tǒng)包括：
[0040] 基本導(dǎo)航模塊101，用于獲取AUV的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算AUV的導(dǎo)航位 置；
[0041] 要實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的全源導(dǎo)航，目標(biāo)AUV的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是需要獲取的最基本信息之一，通 常包括運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和速度等信息。對(duì)于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可參見(jiàn)圖2所示，一般包括沿著三個(gè)方向的 位移和繞著三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，這六種狀態(tài)分別為橫向位移(Sway )、前向位移（Surge )、縱向 位移(Heave)、縱傾角(Pi tch)、橫滾角(Ro 11)和航向角(Yaw)。可以通過(guò)多種傳感或探測(cè)設(shè) 備獲取目標(biāo)AUV的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，例如，頂1]、0￥1^、〇^、羅盤(pán)、磁力計(jì)等。
[0042]在得到目標(biāo)AUV的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后即可根據(jù)該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算出AUV的實(shí)時(shí)導(dǎo)航位置，目 前的船位推算算法已經(jīng)很成熟，可以采用現(xiàn)有的船位推算算法計(jì)算得到上述實(shí)時(shí)導(dǎo)航位 置。
[0043] 實(shí)時(shí)地形獲取模塊102，獲取AUV所在位置的實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)；
[0044] 除上述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航位置外，還需要通過(guò)實(shí)時(shí)地形獲取模塊102來(lái) 獲取目標(biāo)AUV所在位置的實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)以下設(shè)備獲取某一位置的實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)： 多波束測(cè)深儀、高度計(jì)、深度計(jì)等。例如，通過(guò)深度計(jì)和高度計(jì)作為水深測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量目 標(biāo)AUV所處的水深值;利用多波束測(cè)深儀測(cè)量目標(biāo)AUV測(cè)深剖面的水深數(shù)據(jù)等。
[0045]準(zhǔn)確地形獲取模塊103,根據(jù)所述AUV的導(dǎo)航位置和所述實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)與參考地形 數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到AUV所在位置的準(zhǔn)確地形數(shù)據(jù)；
[0046] 通過(guò)所述實(shí)時(shí)地形獲取模塊102所得到的實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)作為第一手探測(cè)數(shù)據(jù)不夠 準(zhǔn)確，通常還需要進(jìn)一步處理才可用于后續(xù)的導(dǎo)航過(guò)程?？梢愿鶕?jù)前面獲取的所述AUV的實(shí) 時(shí)導(dǎo)航位置和所述實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)與參考地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而得到AUV所在位置的準(zhǔn)確 地形數(shù)據(jù)。
[0047] 進(jìn)一步地，所述準(zhǔn)確地形獲取模塊103可以包括參考地形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ) 參考地形數(shù)據(jù)及相關(guān)聯(lián)的位置數(shù)據(jù)；以及，地形匹配單元，用于根據(jù)所述AUV的導(dǎo)航位置和 所述實(shí)時(shí)地形數(shù)據(jù)與參考地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而得到AUV所在位置的準(zhǔn)確地形數(shù)據(jù)。 [0048]校正數(shù)據(jù)獲取模塊104,獲取AUV距海底的斜率數(shù)據(jù)作為校正數(shù)據(jù)；
[0049]導(dǎo)航位置