AUV协同定位

多水下潜器协同定位概述1内容协同概念水下定位技术概述2456国内外研究进展技术特点与难点分析协同定位中的滤波算法水声通信特性与测距误差3一、协同概念1.水下多AUV协同定位的重要意义21世纪是海洋的世纪，是全世界大规模开发利用海洋资源，扩大海洋产业、发展海洋经济和争夺海上权益的新时期。由于受海洋苛刻的自然条件以及人自身的生理条件所限，人类对海洋的探索还处于比较肤浅的阶段。就当前的发展而言，水下导航问题仍然是无人水下航行器所面临的主要技术挑战之一。导航系统必须提供远距离及长时间范围内的精确定位、速度及姿态信息，受体积、质量、能源的闲置及水声介质的特殊性、隐蔽性等因素的影响，实现航行器的精确导航是一项艰难的任务。水下高精度导航是无人航行器完成任务的关键，尤其对多水下航行器协作系统显得至关重要，这对于多航行器系统的编队保持与控制，相互间的高效协同作业起着决定性作用。一、协同概念利用多自主水下航行器（AUV）协同作业不仅能够承担单体航行器难以胜任的诸多复杂任务，如大面积的海洋环境调查、海底地形地貌勘探、失事船只搜索以及军事上的情报收集、水雷探测、沿岸反潜、中继通信等，而且具有高效率、高可靠性、高质量的优点，具有广阔的应用前景，示意图如图1所示。进行多航行器协同作业首先需要确定每个航行器的相对位置关系，即解决多航行器协同导航定位问题。图1水下AUV协同探测、扫雷示意图一、协同概念2.水下多AUV协同定位问题的界定及其定义2.1协同的概念协同原本指的是一种物理和化学现象，也称为协同作用，是指两种或多种组分一起加入，混合在一起，所产生的作用大于各种组分单独应用时作用的总和。而其中对混合物产生这种效果的物质称为增效剂。赫尔曼·哈肯(德国物理学家)在上世纪70年代第一次提出了协同的定义，并出版了相关书籍《协同学导论》等，对协同理论进行了系统地阐述和分析，指出整体环境中存在的若干子系统，它们之间有着相互作用、相互影响的联系，并非是独立存在的。在社会中类似的现象比比皆是，比如企业中的各个单位既会相互干扰和制约，又会相互配合和协作等。可以将一个企业看成协同系统，利用协同操作来实现资源的有效利用。这样的企业整体效益大于独立作用的总和的一部分，常常被描述为“2+2=5”或“1+12”。一、协同概念(2)多AUV协同导航概念的提出(2)多AUV协同导航概念的提出2.2多AUV协同导航概念的提出由于AUV导航系统必须在长时间跨度、远距离范围提供精确的位置信息、速度信息和姿态信息，同时还必须考虑体积、质量、能量约束和特殊水下环境、隐蔽性和其他因素，使得实现AUV的精确导航定位成为一项艰巨的任务。AUV导航主要可以分为两类：基于自身敏感器件信号的自主导航与基于外部信号的非自主导航。按照工作方式，可以分为惯性导航、地磁辅助导航、无线电导航、地形匹配导航、光学导航、声学导航、仿生学导航、重力场辅助导航等导航系统。根据使用区域不同，又可以分为3层:近海面区域(水深300m)、中间层区域(300m水深2000m)、海底区域(距海底100m)，如图2所示。一、协同概念适用区域名称特点导航精度近海面水域(水深≤300m)无线电导航将导航信息通过无线电波发送给AUV，以测定航位和引导航行较高卫星导航AUV接收卫星的导航信息，进行导航，精度高，实时性好高中间层水域(300m≤水深≤2000m)地磁场辅助导航将地磁基准图网格化后存储于数字计算机中，由磁力仪实时测得地磁数据序列，以进行匹配导航，干扰信息大一般重力场辅助导航与地磁场辅助导航类似，利用重力场的物理特性来辅助导航，干扰信息大一般惯性导航利用惯性敏感器件进行航位推算，误差随时间积累较高协同导航多AUV间测距与通信，实现导航信息共享与互相修正，提高AUV编队导航精度高海地区域(距海底≤100m)海底地形匹配导航将测得海底地形与存储的地形图进行比较，来决定AUV自身的位置较高一、协同概念2.3多AUV协同导航特殊性讨论和其他平台相比，多AUV的协同导航在运动方式、工作环境、设备配置、工作时间与负载等方面都有其特殊性：AUV需执行水下巡逻、探测甚至进攻等任务，AUV在水中同时受到重力、浮力与水的阻力等同时作用，推进动力参数、外测速度参数、姿态参数的变化规律和地面上的运动机器人等平台的运动有着本质的区别。水下恶劣复杂的工作条件决定了AUV必须具备体积小、重量轻、低功耗的要求，还要考虑避碰等问题，同时水下环境的特殊性，如未知的洋流、复杂的水文、地形环境等，也给导航带来很多的瓶颈。和其他多平台协同导航相比，水下环境决定了AUV只能以惯性导航设备、DVL和水声通信与测距装置为核心传感器，使用基于相对位置测量的滤波模型，目前惯性导航短航程条件下定位精度高，但误差会随时间不断累积，使导航精度降低；声学测距精度较高，但需在载体上安装相应水听器，并且和无线通信相比，必然存在通信时间延迟、传输距离受限等问题。一、协同概念由于上述问题的存在，AUV协同导航系统精度的提高需要从多方面进行考虑。1.从AUV内部影响因素方面考虑，需要精确建立协同导航模型，同时选用恰当的协同导航算法。2.从系统中各AUV的艇间影响因素方面考虑，需对协同导航网络中的误差因素，如通信延迟、洋流等进行补偿。3.从整个多AUV协同系统的方面进行考虑，需对协同导航系统中的编队构型进行优化设计。图1.2多AUV协同导航精度的影响因素图1.2多AUV协同导航精度的影响因素图1.2多AUV协同导航精度的影响因素图3多AUV协同导航精度的影响因素一、协同概念水下高精度导航对多AUV协作系统至关重要，对于多AUV系统编队的保持与控制，相互间的高效协同作业起着决定性作用。由于水介质的特殊性，AUV无法有效获取高精度的GPS卫星信号进行导航定位；传统声学导航方法，如长基线、短基线和超短基线等，虽然应用广泛，但是也存在诸多的不足。随着水声通信技术的进步，基于水声通信网络的多水下航行器协同定位技术得到了越来越多的关注和发展。不同航行器通过水声通信实现信息共享，通过水声测距实现相互观测，进而通过信息融合技术实现导航定位误差的协同校正。利用多水下航行器协同定位，不仅可以提高系统整体的导航性能，而且具有成本低、系统鲁棒性好的特点，可以极大地增强多水下航行器系统的协同作业能力，具有重要的研究价值。一、协同概念利用多个航行器相互协作完成指定的导航任务，平台之间存在直接相对观测或者间接相对观测，通过信息交换实现平台间导航资源的共享，从而获得比各平台独自导航更优的性能，这种导航方式称为“协同导航”。水下多航行器协同导航技术是基于网络的导航形式，首先从整体的多航行器协同系统进行考虑，需对协同导航系统中的编队构型进行优化设计，然后利用各航行器携带的导航传感器，结合水声通信技术通过水声测距及通信一体化，共享传感器的量测信息，最后通过对航行器间的相对位置关系进行融合提高导航与定位精度。一、协同概念多航行器协同导航定位，具有两种形式：（1）并行式，即系统中每个航行器的功能和结构相同，使用各自的导航系统进行定位，通过水声通信，获取其他航行器的位置信息；（2）主从式，也称为领航式，即系统中少量领航艇装备高精度导航设备，大量跟随艇装备低精度导航设备，跟随艇通过获得与领航艇的位置关系提高自身导航精度，并通过水声通信确定自身在系统中的位置。并行式的结构简单，但每个AUV都装备高精度导航设备，成本将增加很多倍，而主从式兼顾了导航精度和成本，成为多AUV协同定位导航研究的主要方向。领航AUV装备高精度惯性导航设备、多普勒速度仪、差分全球定位系统(DGPS)、水声通信设备等，导航系统以惯导设备为主，初始位置通过DGPS获得，以多普勒速度仪测量的绝对速度作为惯导外部输入，进一步提高了其精度。跟随AUV装备低精度航位推算导航设备、GPS、水声通信设备等。跟随AUV在执行任务前，均通过GPS进行时间校正，以保证时间同步。一、协同概念在协同导航定位过程中，领航AUV按照预先约定的时间间隔向外发射固定频率的声信号脉冲，间隔一段时间后，通过水声通信装置广播领航AUV自身位置。跟随AUV接收到声信号脉冲和领航AUV位置后，由声信号脉冲解算出相对距离，将位置和距离信息同自身航推结果进行数据融合，从而达到协同定位的目的，协同导航定位的关键是相对距离的确定。图4协同导航定位原理图一、协同概念“协同导航”具有如下优势：（1）可通过系统中其它平台的高精度导航信息，提高低精度运动平台的导航精度；（2）可以利用部分平台的有界定位误差的导航能力，通过信息共享使各平台都具有误差有界的定位能力；（3）当某平台由于传感器或环境因素丧失独立导航能力时，协同导航可以在一定程度上恢复其导航能力。“协同导航”相对“各自为战”的导航方式，能实现平台间的导航资源共享，具有比独自导航更优的性能。协同导航成为未来五十年解决水下中间层区域多AUV高精度导航的重要方法。1内容概念与内涵水下定位技术概述2456国内外研究进展技术特点与难点分析协同定位中的滤波算法水声通信特性与测距误差3研究内容7二、国内外研究进展1.国外/内水下AUV的发展现状AUV作为一种无人的自主载体，早在1957年由华盛顿大学应用物理实验室的斯坦·墨菲，鲍勃·弗朗索瓦设计了第一艘AUV。目前世界上比较出名的AUV的研究机构有：(1)英国阿伯丁大学(AberdeenUniversity)，海洋实验室，其代表产品有AUDOS。(2)法国海外部门，其代表产品有ALIVE(AUV)，SWIMMER(AUV/ROV)。(3)日本KDD的海洋实验室，其代表产品有Venus，Cablefinder，AquaExplorer2，AquaExplorer1000。(4)俄罗斯科学院海洋技术问题研究所，其代表产品有SAUV。(5)加拿大温哥华国际海底工程研究所，其代表产品有ARCS，Dolphin，Theseus(世界上最大的AUV)，北极探险AUV(ArcticExplorerAUV)，半潜式AUV(Semi-SubmersibleAUVs)，拖鱼式AUV，Aurora(该AUV设计了一个大的主动控制主翼来实现深度控制，其速度能达到12节)。二、国内外研究进展(6)美国自主水下系统研究所(AutonomousUnderseaSystemsInstitute，AUSI)海洋系统工程实验室，其代表产品为：蓝色海洋监测AUV（如图4所示），大排量水下无人机器人及其他水下机器人。(7)美国蓝鳍机器人公司(BluefinRoboticsCorp)，其代表产品有蓝鳍金枪鱼-21(如图5所示)，蓝鳍金枪鱼12D，12S，9M，9，SandShark™，双便携式AUV(HAUV)。图5蓝色海洋监测型AUV图6蓝色海洋监测型AUV二、国内外研究进展我国关于AUV的研制工作开始较晚，但是仍然取得了一定的成果，目前国内的主要研究单位有：沈阳自动化所，哈尔滨工程大学，西北工业大学等。以沈阳自动化所为代表，其主要产品有探索者，CR-01，CR-02，潜龙一号。(1)探索者，作为我国第一台无缆自治水下机器人，如图7所示，其成功研制标志着我国关于水下机器人的研究技术逐步向深海发展。(2)“CR-01”，作为一种6000米自主水下机器人，如图8所示，能够对海沟以外海域进行探测。这标志着我国关于AUV的研制水平已经跨入了世界领先行列。图7探索者AUV图8CR-01水下自主潜器二、国内外研究进展(3)“CR-02”，作为一种改进的6000米自治水下机器人，如图9所示，不仅具有“CR-01”的功能，而且具有更好的机动性能。其主要的应用领域包括水下摄影、照相、深海考察、海底地势及剖面测量、水文物理测量、深海多金属结核斟查、深海钴结壳调查等。(4)潜龙一号，如图10所示。作为我国自主研发的实用化海洋装备，其应用领域主要为进行深海资源勘探。潜龙一号上配备的浅地层剖面仪等探测设备，可实现对海底微地形地貌的精细探测，进行底质判断，测量海底水纹参数，测定海底多金属结核丰度等任务。潜龙一号最大的工作深度为6000m，巡航速度2节，最大续航能力24h。图9CR