水下机器人导航方式简介

水下机器人的导航演讲人：指导老师：主要章节1.水下导航系统发展现状2.航位推算导航系统3.惯性导航系统4.声学导航系统5.地球物理导航6.视觉导航7组合导航系统1.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，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。2.航位推算导航系统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。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选择[3]。姿态传感器和速度计3.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，这些都会导致惯性导航会存在累积误差，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、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。PHINS水下惯性导航系统4.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1cm[3]；短基线（SBL）定位精度次之，以澳大利亚Nautronix公司生产的NASDrillRS925型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OceanoTechnology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。KongsbergSimrad公司于1997年已经研制出了具有世界领先水平的HiPAP350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OCEANOTechnologies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。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。声学导航系统5.地球物理导航地球物理导航系统根据物理参数的不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。地球物理导航6.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。7.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。8.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。9.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PulnixTMC-73摄像头和SonyEVI-D30摄像头组成的光视觉系统。但由于海洋环境复杂，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。10.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，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。