水下机器人导航方式简介

1、智能水下机器人导航方法简介所在学院： 机械工程学院 学 号： 姓 名： 学科专业： 机械设计及理论 指导老师： 摘 要21 世纪以来，全球对海洋开发的投入不断增大，随着人们对海洋开发的迫切需要，智能水下机器人技术引起了越来越多的关注，并得到了快速发展。水下导航技术是智能水下机器人技术的重点和难点问题之一，精确的水下导航是其远程自主航行和成功完成任务使命的重要保证。所以分析影响水下机器人导航系统误差的因素并采取相应的方法修正和改善，对于水下机器人的实际应用具有重大义。 本文对航位推算导航系统误差进行了研究。航位推算导航精度除了受姿态传感器、速度传感器等传感器设备本身测量精度影响外，传感器的安装偏

2、差及地球形状的不规则性等都会降低推算导航精度，其误差并随时间累积。本文将地球椭球模型引入航位推算模型中，建立航位推算导航方程，通过分析影响航位推算法导航精度的参数，对导航方程进行修正，并利用最小二乘方法对误差参数进行辨识，最后把辨识出的参数应用到导航方程中对航位推算进行修正，并通过试验结果验证了方法的有效性。 本文对大潜深水下机器人的水下导航修正问题也做了探讨。由于深海海流作用，水下机器人在下潜后的导航位置与实际位置会有很大偏差，本文提出了采用测距定位法对大潜深导航进行修正，通过建立测距定位方程并把方程转换成具有非线性最小二乘形式的优化问题，采用 Nelder-Mead 单纯形算法进行求解。为

3、验证方法的有效性，通过对测距定位法的误差源进行分析，本文对大潜深水下导航进行了仿真试验，试验验证了该方法在各个深度下都能够对大潜深水下导航进行有效修正。关键词：智能水下机器人；导航修正；航位推算；大潜深；测距定位AbstractSince the 21st century, the global invest in the ocean development more and more, as the urgent need of the Marine development, the Autonomous Underwater Vehicle technology has caused mo

4、re and more attention, and also obtain a rapid development. The technology of underwater navigation is one of the key points and difficult problems for AUV (Autonomous Underwater Vehicle) technology. A precise underwater navigation is the important guarantee for AUV to navigate independently and fin

5、ish the mission successfully. So analyze the factors of affecting the errors of the AUV navigation system and take some corresponding methods to correct and improve the navigation system. is of great significance for practicality application of the AUV. This pape has studied on the error of dead rec

6、koning system. The accuracy of dead reckoning navigation had been affected by the sensor itself which exists measuring error, such as attitude sensors, speed sensors and so on, also the installation error of integrated navigation sensors and the irregular of the earth can reduce the accuracy of dead

7、 reckoning, and the error will accumulated along with the time. The paper introduces the earth ellipsoid model to the dead reckoning and establishes the navigation equation, and corrects the navigation equation by analyzing the factors of affecting the errors of the AUV navigation system, then the p

8、aper takes the method of the least square to identify the error parameter, and uses the parameter to correct the navigation equation of the dead reckoning at last. And it suggests that it can improve the navigation precision effectively by the sea trial. This paper proposes a method of range-only po

9、sition to correct the underwater navigation for a deep-diving AUV. The method establishes the range-only position equation and transforms it into a question of optimization which has a modality of nonlinear least mean square, and uses the Nelder-Mead simplex search method to solve it. By analyzing t

10、he error sources of the method, the paper has done a simulation test for the navigation of a deep-diving AUV in different depths, and it presents that the method can correct the underwater navigation system effectively. Key words: AUV; Navigation Correction; Dead Reckoning; Deep-Diving; Range-Only P

11、osition 目 录 第 1 章 绪论51.1 论文研究的目的和意义51.2 水下导航系统发展现状61.2.1 航位推算导航系统61.2.2 惯性导航系统71.2.3 声学导航系统71.2.4 地球物理导航81.2.4.1 地形匹配导航81.2.4.2 重力导航91.2.4.3 海洋地磁导航91.2.5 视觉导航91.2.6 组合导航系统10参考文献11第 1 章 绪论1.1 论文研究的目的和意义 海洋面积约占地球表面积的 71，广阔的空间中蕴藏着资源的丰富。海洋是自然界主要的地理形态，为人类的生存提供了重要支持；其巨大的空间以及巨大的资源，已经成为人类生存、发展的战略空间。开发和利用海洋，

12、依托海洋发展经济，对全球的经济发展和社会的进步，对我国改革开放事业和社会主义现代化建设，都具有十分重要的战略意义1。 2006 年，国务院颁布了国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020），提出了“深化近海、拓展远洋、强化保障、支撑开发”的指导方针和“需求牵引、推进创新”的发展原2，以经济发展为牵引，以政策导向作保障，近几年海洋技术得到了大力展。水下机器人技术是海洋开发技术的重要技术之一，21 世纪以来水下机器技术发展迅速，在海底地貌勘察、深海打捞、大洋救险、水下设施检查等海洋开发领域以及潜艇对抗、航道封锁、水下通讯破坏等军事领域的应用越来越广泛3- 4。目前，水下机器人的研究与开发

13、正受到越来越多国家的关注，对其研究的人力、物力的投入也越来越大5，水下机器人目前有着很大的市场需求，包括海洋工程、军事应用以及学术研究等6-7。 水下机器人可分为载人潜水器、有缆遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicles ，简称 ROV)及智能水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，简称 AUV）8，本文主要研究对象为智能水下机器人。AUV 是一个复杂的技术体，其包含了人工智能、模式识别、自动控制、系统集成、信息融合等技术9，通过把这些技术组合应用于 AUV 上，就能使智能水下机器人自主的完成预定任务，而且具有安全性能高，可操纵性强，隐

14、蔽性好的优势。20 世纪 90 年代，发达国家的 AUV 技术已经逐步走向成熟，AUV 已经能够完成多种复杂任务，可以说 AUV 代表了未来水下机器人技术的主要发展方向，也是当前世界各国水下机器人研究工作的热点，而大潜深、长工作距离、多元化功能已经成为了未来 AUV 的发展趋势10-11。 智能水下机器人技术由很多的技术难点和重点，水下导航技术就是其中的一项，水下导航需要为 AUV 提供长距离、长时间的准确的位置、速度和姿态信息。目前，水下导航有很多方法，常用的有航位推算、惯性导航、声学导航等，所有的导航方法不可避免的会出现导航误差，尤其在深海进行作业时，由于洋流、噪声等海洋因素作用，智能水下

15、机器人下潜到既定深度后的位置往往与导航位置产生很大偏差。而导航误差的大小决定了整个导航系统的优劣，也决定着智能水下机器人整体性能以及水下试验、工作的成败。所以研究智能水下机器人导航误差修正方法对于提高导航精度、提高水下机器人性能、增强水下机器人完成任务的能力具有重要意义。 1.2 水下导航系统发展现状 水下导航系统可以分为传统和非传统两大类，传统的导航系统包括航位推算导航系统、惯性导航系统、声学导航系统；而非传统的导航系统包括地球物理导航系统、视觉导航系统等12，目前较为常用的为传统类导航系统及其组合形式，而非传统类导航系统由于技术成熟性不够尚未大规模应用在水下导航系统中。 1.2.1 航位推

16、算导航系统 航位推算导航系统是智能水下机器人重要的导航方法之一，早在 16 世纪航位推算导航法就已经提出，但当时很少利用在水下。而在水下导航中，航位推算是一种最为基本的导航方法，Cotter 曾为航位推算导航法做出了定义，即：“从给定的初始位置开始，根据运动体在该点的航行速度、航行方向和航行时间，即可推算出下一时刻的位置信息的导航过程”13。 航位推算法简单、经济，目前仍然是水下导航中重要的手段。水下机器人只需配备深度计、速度计、姿态传感器等，在给定水下机器人初始导航位置信息的前提下，通过推算系统完成推算就可构建一定精度的可靠、实时的水下自主导航系统14-15。但航位推算导航精度有限，其导航精

17、度受传感器数据测量精度影响比较大，且会存在累积误差，另外还比较容易受海况的影响。 姿态传感器和速度计是航位推算导航系统的两个最重要的传感器，姿态传感器目前主要采用光纤陀螺，光纤陀螺相对一般罗经具有精度高、体积小的优势，但是价格也十分昂贵；而速度计目前主要采用多普勒测速仪（DVL），美国和英国等发达国家都研制出了精度较高的多普勒测速仪，例如由美国 EDO 公司研制的 3040 型和 3050 型 DVL，其测速精度可达 0.2%，而英国 MA 公司研制的 COVELIA，其速度最大绝对误差不超过0.005kn，对于 DVL 来说，其作用距离与体积是成正比的，因此在实际应用中，应该根据工作需要进行

18、选择3。 1.2.2 惯性导航系统 惯性导航系统是完全依靠自身设备进行导航的一种无源系统，是 20 世纪初才发展起来的一种导航方法，其主要是依据牛顿惯性原理，利用惯性敏感元件（陀螺仪、加速度计）测量物体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，通过积分输出载体的姿态参数和导航参数16-17。由于其与外界不发生任何联系，不受环境的干扰影响，从而能够在相对“封闭空间”内进行较高精度的导航，具有隐秘性好的优点，目前惯性导航系统是水下导航最主要的导航方式18。 实际上，惯性导航也可以理解为一种推算导航方法。由于惯性导航是通过对加速度二次积分而得到的，而惯性导航主要元件陀螺会随时间不断漂移，

19、这些都会导致惯性导航会存在累积误差19，在长时间导航过程中，惯性导航必须要经过校正处理。而且惯性导航系统的研究周期较长，初始校准困难，体积大，价格昂贵，在长航程、长时间导航过程中的性价比不高。 目前，捷联式惯性导航技术迅速发展，并已经成为了惯性导航发展的新方向，它克服了早期惯性导航系统体积大、能耗高等缺点，而随着光纤陀螺的不断研发与广泛使用，光纤捷联式惯性导航系统已经成为了惯导研究的重点。当前美国、法国等发达国家研发的惯性导航系统相对比较先进，例如法国 IXSEA 公司开发的 PHINS 水下惯性导航系统，体积小、重量轻、功耗低，主要利用光纤陀螺与卡尔曼滤波技术，并把 GPS、DVL、深度计、

20、高度计、声学定位等融入到该系统中作为补偿，实时为水下机器人提供速度信息、姿态信息和位置信息，其导航精度可达 10m/h 以下20。 1.2.3 声学导航系统 声学导航系统也是一种重要的水下导航方法，目前在水下导航中的应用也十分的广泛。利用声学导航系统首先要在水下布设应答器基阵，按照基线长度可以分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统。 从定位精度上来说，长基线（LBL）定位精度最高，当 LBL 系统工作频率为 300kHz，其在边长为 100 米的三角形定位区域内的定位精度可达到 1cm3；短基线（SBL）定位精度次之，以澳大利亚 Nautronix 公司生产的 NASDrillRS925 型

21、短基线定位系统为例，其能够在水深 3500 米内进行工作，定位精度可以优于 2.5 米21；而超短基线系统（SSBL/USBL）作为短基线的一个变种，其定位精度相比长基线和短基线都稍微差一些，以法国 Oceano Technology 公司生产的 posidonia6000 为例，其定位精度大约为作用距离的 0.5%1.0%22。声学导航系统的定位精度比较高，其主要是通过在水下布放基阵，利用声脉冲间的时间差或者相位差进行定位。声学导航系统是发展较早，技术也相对比较成熟，目前已经步入了专业化和产业化阶段。Kongsberg Simrad 公司于 1997 年已经研制出了具有世界领先水平的 HiP

22、AP350 超短基线定位系统，该系统精度高，作用距离可达 3000 米，距离测量精度优于 20cm，其后，该公司在此基础上又陆续推出了 HiPAP500、HiPAP700 超短基线定位系统，进一步提高作用距离、提升导航定位精度。此外法国的 OCEANO Technologies 公司以及英国的 Sonardyne 公司研发的声学导航系统都具有相当高的导航定位精度23。 声学导航系统优点是导航精度比较高并且不存在累积误差，不足之处是价格昂贵，并且需要提前布设基阵，并耗费大量时间，其整个导航系统不易布放、回收，设备维护困难，作用距离有限。 1.2.4 地球物理导航 地球物理导航系统根据物理参数的不

23、同可以分为海底地形匹配导航、重力导航和海洋地磁导航。地球物理导航系统的导航误差不随航行时间和航程的增加而累积，它是一种精度高、隐蔽性强、完全自主的无源性导航，近年来世界各国已经对其产生足够的重视并开展了相关研究。1997 年，美国和法国联合启动了 NTM 地球物理导航等非传统导航方法的研究计划，同时美国也成立了相当多数量的海洋地球物理导航研究机构。 1.2.4.1 地形匹配导航 地形匹配导航主要是利用海底数字地图辅助惯性导航，该技术早在 30 多年前已经开始研究，并在海湾战争中就发挥了重要作用，由此而引起了全球广泛的关注。目前，地形匹配导航可以说已经成为了最为成功的地球物理导航技术。地形匹配导

24、航系统一般由测深测潜仪、数据处理系统、海底数字海图、以及参考导航系统组成，目前世界上发达国家已经开始把地形匹配导航技术应用于水下导航中。2002 年，北约进行的 BP02AUV 海上试验，其由挪威研制的 HUGIN 水下机器人平台就搭载了由 FFI 研制的地形匹配导航系统，并进行了多次试验。而由澳大利亚研制的Oberon 水下机器人也装载了地形匹配辅助导航系统，并在澳大利亚近海岸成功的进行了导航试验和标图定位试验24。 实际上，20 世纪末多波束测深技术的出现才让地形匹配导航技术真正开始发展，其主要传感器测深测潜仪要求非常高的精度，而我国由于在制造工艺方面相对落后，国产测深测潜仪目前还不能满足

25、地形匹配导航的要求，因此我国在地形匹配导航技术方面起步较晚、发展较慢。1.2.4.2 重力导航 20 世纪末，重力导航技术概念被提出，美国的贝尔实验室对此进行了专项研究。重力导航系统是通过测量水下重力场信息而作为传统导航系统的一种辅助导航，并且可以实现对传统导航系统进行位置校正。其系统主要由测深传感器、重力传感器、海洋重力数据库、参考导航系统和数据处理系统组成，其原理主要是通过海洋重力数据与参考导航系统提供的位置信息相匹配，利用匹配算法求出最佳位置信息。 早在 1999 年，美国就在潜艇上对重力匹配导航技术进行了试验，通过实验数据表明，利用重力匹配导航技术可以将导航系统的误差降低至标称误差的

26、10%；我国计量科学院量子部重力室也对该技术进行了相关研究，但由于试验存在大量干扰和误差源，我国的试验精度与美国还有较大差距25。 重力导航系统由于其完全的无源性，较高的隐蔽性，因而具有非常高的军事应用价值，目前该技术已经成为军事领域研究的热点，但由于设计制造、海洋重力数据库以及匹配算法的研究都不是很成熟，目前重力匹配导航技术还没有得到真正的实际应用。1.2.4.3 海洋地磁导航 地磁导航技术主要是利用地球磁场所形成的天然坐标系来完成对舰船、飞行器的姿态控制和定位，具有简单、可靠的优势。世界上的军事强国一直以来都比较重视对地磁导航技术的研究。为了实现利用地磁场在空间和海洋进行自主导航，美国与英

27、国联合研制了世界地磁模型，并为世界水文地理实验室 WHO 提供标准模型26。1.2.5 视觉导航 随着计算机数据处理能力的提高以及图像处理技术的发展，利用声或者光作为“视觉”已经可以为水下机器人进行导航，常用的视觉导航手段有图像声纳、摄像头、水下电视等。 视觉导航技术也受到很多发达国家的重视，美国研制的 AUSS 水下机器人，是早期性能较高的 AUV，它装备了前视声纳、静物照相机、水下摄像机等视觉装备为水下导航提供辅助信息。澳大利亚研制的 Kambara 水下机器人也搭载了一套由 Pulnix TMC-73摄像头和 Sony EVI-D30 摄像头组成的光视觉系统27-28。 但由于海洋环境复

28、杂，光在水中传播的损耗较大，光视觉距离有限，而声波在水中传播距离较远，但图像声纳比较容易受到还早噪声的影响，所以现阶段视觉导航在技术上仍需要进一步提高才能应用到实际中。 1.2.6 组合导航系统 由于目前常用的单一导航方法在精度上、可靠性上还无法满足水下长时间、长航程的高精度导航需求，因此将多种到导航系统组合成性价比高的组合式导航系统成为了远程 AUV 导航技术发展的主要方向。 组合式导航系统，可以以计算机为中心，以最佳统计理论为方法29，采用信息融合技术，根据各个单一导航方法进行取长补短，并且可以在不影响整体导航精度的前提下降低某单一导航系统的精度要求，降低导航程度和技术难点，从而实现了组合

29、导航系统的高性价比与高精度。 哈尔滨工程大学水下智能机器人技术重点实验室研究了由多普勒测速仪、光纤罗经、深度计、GPS 等组成的水下航位推算导航系统，GPS 主要用于水面位置校正。该导航系统在其所研制的水下机器人平台上于某海域进行了相关导航试验，并验证了其可行性。本文是在此航位推算导航系统平台上对导航修正问题进行了相关研究。 参考文献1 何广顺.“十一五”海洋经济发展情况述评.海洋经济.2011,01(3):1-8 页 2 马志荣.广东 2015 年基本建成海洋经济强省.广东经济,2012,(9):60 页 3 李俊，徐德民，朱保维等.自主式水下潜器导航技术发展现状与展望.中国造船.2004,

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31、TS/IEEE Conference and Exhibition. Providence, Rhode Island, 2000:391-395P 8 赵金鑫.某型水下机器人操纵性研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2010:2-5 页 9 徐玉如.海洋空间智能无人运载器技术发展展望.中国舰船研究.2006(3):135-137 页 10 徐玉如，庞永杰.智能水下机器人技术展望.智能系统学报. 2006,1(1):9-16 页 11 Robert L W. AUV-The Maturity of the Technology. MTS/IEEE OCEANS99. Seattle, WA, 199

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