水下无人航行器组合导航研究
SINS_DVL_USBL水下组合导航系统的设计与验证
(4) Experimental verification: the corresponding static and dynamic experiments are designed. The experimental results show that the navigation accuracy of the integrated navigation system meets the design requirements, and the system is stable and reliable. The
(2) Principle and error analysis: on the premise of defining common navigation coordinate system, the basic principles of sins, DVL and USBL are analyzed; on this basis, the corresponding error model is established; the IMU in SINS system is calibrated and compensated and the random error parameters are identified.
螺旋桨转速信息辅助水下航行器组合导航研究
ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ．Ｉ ｎ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｗ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ａ ｖ ｅ ｌ ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｅ ｘ ｉ ｔ ｙ ｍａ ｒ ｉ ｎ ｅ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ｍａ ｙ ｌ ｅ ａ ｄ Ｄ ＶＬ ｔ ｏ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｅ ｉ ｎ ｖ ａ —
第 ３ ０ 卷 第１ ２ 期
文章编号 ： １ ０ ０ ６—９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２—０ ３ ０ ２— ０ ４
计
算
机
仿
真
２ ０ １ ３ 年１ ２ 月
螺 旋 桨 转 速信 息辅 助 水 下 航行 器 组合 导 航研 究
罗 康 ， 崔 海英
（ １ ．西 北 工 业 大 学航 海 学 院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ；
ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ （ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ）ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｉ ｆｏ ｎ ｍａ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｋ ａ ｌ ｍａ ｎ ｉ ｆ ｌ ｔ ｅ —
新型水下机器人定位与导航算法研究
新型水下机器人定位与导航算法研究随着技术的不断进步，水下机器人在海洋资源勘探、海洋科学研究以及海洋工程等领域发挥着重要作用。
而水下机器人的定位与导航算法是其能否准确执行任务的重要关键。
本文将探讨新型水下机器人定位与导航算法的研究进展，并分析其应用前景。
一、定位与导航算法的重要性水下机器人作为一种自主操作的智能系统，需要具备准确的定位能力以及稳定的导航算法。
由于水下环境的复杂性，传统的定位与导航方法无法完全满足水下机器人的需求。
因此，研究新型的定位与导航算法对于提高水下机器人的精确性和可靠性至关重要。
二、惯性导航与基于声纳的定位研究惯性导航是水下机器人定位与导航中常用的方法之一。
该方法通过使用加速度计和陀螺仪等惯性传感器，利用航位推算的方法对机器人的位置和方向进行估计。
惯性导航具有实时性好、无需外部信号等优点，但由于惯性传感器存在漂移误差，导航精度随时间的增加而降低。
因此，在基于惯性导航的基础上结合声纳数据进行定位是提高定位精度的一种重要方法。
通过声纳传感器获取水下声纳信息，结合惯性导航算法进行数据融合估计，可以有效提高水下机器人的定位精度。
三、视觉导航与图像处理研究随着计算机视觉技术的快速发展，视觉导航成为水下机器人定位与导航研究的热点之一。
水下机器人可以使用摄像机获取水下图像信息，并通过图像处理算法对图像进行分析和处理，从而实现定位与导航。
视觉导航可以利用环境中的特征点进行位置估计，如通过SLAM （Simultaneous Localization and Mapping）算法构建水下环境的地图，并利用地图进行机器人的定位。
此外，还可以利用深度学习等先进的图像处理技术，通过对水下图像的学习和分析，提高机器人的感知和理解能力。
四、无线通信与水声通信技术研究水下机器人在执行任务时需要与外界进行实时通信，因此无线通信技术是定位与导航算法研究中的另一个重要方向。
传统的无线通信在水下非常困难，而水声通信技术可以在水下实现数据的传输和通信。
水下机器人自主导航技术研究
水下机器人自主导航技术研究自主导航技术一直是水下机器人领域探索的难点之一。
水下环境的复杂性和不确定性使得水下机器人在无人干预的情况下难以准确、高效地完成任务。
本文将从传感技术、建图技术和路径规划技术三个方面进行介绍和研究。
传感技术传感技术是水下机器人自主导航技术中最基础的技术。
传感器的选择与码率和灵敏度等技术参数密切相关。
目前常用的水下传感器有声纳、激光雷达、电磁信号传感器等。
用传感器实现水下机器人的环境感知和深度感知，提高机器人的感知能力是自主导航技术中尤为重要的一步。
另外，机器人还需要进行对自身姿态、运动状态进行感知和估计，如加速度计和陀螺仪等，以此确保机器人在水下环境中的精准执行。
建图技术水下机器人在自主导航过程中需要能够高效、准确地建立水下环境的三维地图。
传感器获取到的数据需要经过处理，转化成为三维点云或三维模型图。
目前建图技术有基于单目视觉的建图技术、基于激光雷达的建图技术等。
基于单目视觉的技术是通过视觉SLAM技术，引入多个视角对场景进行重建，定位和地图的同时进行。
基于激光雷达的技术是通过发射激光束，在探测过程中收集反射光并测量成为距离数据，施加滤波算法提取地图点云，最终通过缝合算法生成多态较为完整的地图。
建立三维地图后，机器人可以实现对当前位置的判断以及对可达区域的评估。
路径规划技术路径规划技术是水下机器人自主导航技术的核心。
这项技术主要作用是通过已知的起点、终点和地图信息，构建一条最优路径，引导机器人高效地执行任务。
路径规划技术包含了基于图搜索的A星算法和基于机器人动力学的光学测距法等多种方法。
其中基于A星算法的路径规划是最常见的算法之一，其工作原理类似于在地图中进行波的扩散，从而最终得出一条路径。
机器人路径跟踪算法通常有PID控制、扭矩控制、滤波器和逆运动学等方法。
其中PID控制已经广泛应用，在追踪路径和保持位置和运动方向等方面都具有较强优势。
未来发展水下机器人的自主导航技术还需要不断地进步和提高。
组合导航系统在水下潜器中的应用的开题报告
组合导航系统在水下潜器中的应用的开题报告 一、背景与意义 随着现代科技的不断进步，水下探测技术也越来越成熟，涉及到多个领域，例如海洋地质、海底资源勘探、油气管道维护等，因而水下潜器的应用也越来越广泛。作为水下潜器的核心设备之一，组合导航系统在水下潜器中起着至关重要的作用。组合导航系统可以综合多种传感器的信息，利用卡尔曼滤波算法得到水下潜器的三维姿态、位置等信息，为实现水下任务提供数据支撑。本文旨在通过对组合导航系统在水下潜器中的应用进行研究，为该领域的研究与应用提供科技支撑。
二、研究内容 1. 水下潜器的基本情况及其组成。 2. 组合导航系统的基本原理和组成。 3. 组合导航系统在水下潜器中的应用研究。 4. 水下潜器姿态控制的方法及其在组合导航系统中的应用。 5. 水下潜器定位方法及其在组合导航系统中的应用。 6. 组合导航系统的精度评估及改进方法。 三、预期研究结果 1. 对水下潜器姿态控制和定位方法进行分析，掌握相关基本知识。 2. 对组合导航系统的基本原理和组成进行深入研究，了解其在水下潜器中的应用。
3. 在对组合导航系统的应用进行研究的基础上，提出相应的改进措施，提高其精度和性能。
4. 为相关领域的研究和应用提供科技支撑和指导。 四、研究方法 本文采用文献研究与案例分析相结合的方法，对水下潜器的应用及其组成、组合导航系统的原理和应用进行综合分析，结合实际案例深入研究组合导航系统的应用和精度评估方法。
五、研究进度安排 1. 研究背景与意义。 2. 水下潜器的基本情况及其组成。 3. 组合导航系统的基本原理和组成。 4. 组合导航系统在水下潜器中的应用研究。 5. 水下潜器姿态控制的方法及其在组合导航系统中的应用。 6. 水下潜器定位方法及其在组合导航系统中的应用。 7. 组合导航系统的精度评估及改进方法。 8. 结论与展望。 六、参考文献 1. Zhang, W., Gao, H., Chen, L., & Cao, Y. (2019). Strapdown-solver-based data processing for a low-cost MEMS-based inertial measurement unit in underwater positioning. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 69(2), 315-323.
自主水下航行器组合导航系统的主从式协同定位方法与相关技术
图片简介:本技术介绍了一种自主水下航行器组合导航系统的主从式协同定位方法，该方法包括对于单领航定位系统和双领航定位系统下的主、从AUV建立三维协同导航系统模型，通过主AUV广播自身的位置信息，从AUV根据声速和时延获取两者时间的相对距离，进而有主AUV利用测速信息、测距信息对任意的从AUV进行协同定位，修正两者之间的距离。
本技术所述方法还针对主动式协同定位的精度问题提出新的增加深度测量信息的三维协同导航模型，包括在AUV没有收到距离测量信息情况下的测量方式，能够提高主从式协同定位的精度。
技术要求1.一种自主水下航行器组合导航系统的主从式协同定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立主从式组合导航系统，由主AUV广播自身位置信息，根据声速和时延获得主AUV和从AUV之间的距离、航行速度信息，确定主AUV和从AUV之间的相对位置；(2)基于自主水下航行器的深度数据建立主从式导航系统建立协同导航空间状态运动模型，所述协同导航空间状态运动模型以导航坐标系下位置信息、载体坐标系下的速度信息、三维姿态信息作为主从式组合导航系统的状态向量；(3)在主AUV的位置信息下，基于扩展卡尔曼滤波协同定位模型和深度信息对从AUV进行位置纠偏。
2.根据权利要求1所述的自主水下航行器组合导航系统的主从式协同定位方法，其特征在于：步骤(2)依次选取导航坐标系下位置信息、三维姿态信息和载体坐标系下的速度信息作为系统的状态向量，得到主从式导航系统在tk时刻的状态向量的表达式如下：xk＝[(pn)T ΘT (vb)T]T＝[x y z ψ θ φ u v w]T由航位推算公式得到状态转移方程如下：3.根据权利要求1所述的自主水下航行器组合导航系统的主从式协同定位方法，其特征在于：所述主从式协同定位方法中，系统的观测向量的表达式如下：zk＝[(zdepth)T (zattitude)T (zvelocity)T (zrange)T]T＝[z φ θ ψ u v w rMT … rMi]T。
水下滑翔机定位导航系统及实验研究
一、水下机器人导航定位技术的 研究现状
1、惯性导航与自主定位
惯性导航是一种常用的水下机器人导航方式，其主要利用陀螺仪和加速度计等 惯性传感器来测量机器人的加速度和角速度，从而计算出机器人的位置和姿态。 然而，由于惯性导航的误差会随着时间的推移而累积，因此需要与其他导航方 式结合使用以实现更精确的定位。
系统组成
水下滑翔机定位导航系统主要由以下几个部分组成： 1、全球定位系统（GPS）：用于获取水下滑翔机的绝对位置信息。
2、惯性测量单元（IMU）：用于获取水下滑翔机的姿态、速度和加速度信息。
3、水下地形地貌扫描系统（OBS）：用于获取水下环境的地形地貌信息，帮助 水下滑翔机进行路径规划和避障。
视觉导航则是利用图像处理和计算机视觉技术来实现水下机器人的导航和定位。 其优点在于可以直接获取环境信息，提供更为精确的定位数据。然而，由于水 下环境的复杂性和不确定性，视觉导航技术仍面临着许多挑战。
二、水下机器人导航定位技术的 发展趋势
1、多传感器融合与智能决策
由于单一导航方式的局限性，多传感器融合成为了水下机器人导航定位技术的重要研究方向。通过将不同类型的传感器（如惯性传感器、水声传感器、视觉 传感器等）进行融合，可以充分利用各种传感器的优点，提高水下机器人的导 航精度和鲁棒性。同时，通过引入人工智能和机器学习等技术，实现智能决策， 可以进一步提高水下机器人的导航性能。
未来，水下定位导航系统的发展方向主要有以下几点：一是加强数据传输速度 和精度，以提高实时导航性能；二是研发更加智能化的水下机器人，提高自主 导航能力；三是结合和机器学习等技术，实现更加精准的定位和导航决策。此 外，随着5G等通信技术的不断发展，水下定位导航系统将有望实现更远距离的 信号传输和更高精度的定位。
混合驱动的水下无人航行器总体设计与性能研究
混合驱动的水下无人航行器总体设计与性能研究混合驱动无人水下自主航行器是目前世界上一类新型的无人水下自主机器人,该类型航行器结合了水下滑翔机和水下自主航行器的优点。
可以采用水下滑翔模式运动,完成大航程、长时序的观测需求,也可切换为推进模式运动,完成对特定区域的探索任务。
针对中国海洋发展战略,国内需要多款不同类型的无人水下自主航行器来建立三维、立体化的海洋观测网络。
本文以国家预研基金项目为基础,针对我国海洋发展战略,开发了一款新型混合驱动的无人水下自主航行器。
该航行器外形采用仿生鳐鱼设计,具有大翼展的特征,既拥有飞翼式水下滑翔机高升阻比、稳定性高和搭载能力强的优点,也有普通水下滑翔机灵活性高和操纵性好的优点,是一类新型无人水下自主航行器。
不同于一般无人水下自主航行器在尾部装有推进器,该航行器还在水翼下方对称搭载有推进器,可大大提高在水中的操纵性与回转性,并可在水中完成水平推进运动、空间绕圆运动和空间螺旋运动,还可以突破目前国际海域内,普通水下机器人无法突破的中尺度漩涡。
本论文,在充分调研国内外水下机器人的研究概况情况下,采用模块化设计与CFD数值计算相结合的设计方法进行了该航行器的总体设计与内部各系统单元设计。
并在总体设计的基础上完成了该航行器的水动力特性分析和航行器与螺旋桨的耦合运动分析。
最后,经过两者的循环迭代完成了该航行器的设计目标并进行了相关设备的选型,为控制系统的搭建和真机的组装提供了研究基础,进而验证本文设计方法的正确性和CFD数值计算方法的有效性。
本文主要研究成果和创新点为:本文创新性的提出了一种新型的混合驱动无人水下自主航行器的设计方法,并设计出了一种新型混合驱动无人水下自主航行器。
该航行器最大工作深度水下1000m,最大推进航速1.5kn,最大续航力300km。
采用模块化设计、三维实体建模和CFD数值模拟相结合的设计方法,完成了航行器的外形设计、耐压壳体设计、浮力调节系统设计、姿态调节系统设计、控制系统、推进系统和抛载系统的设计。
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本科毕业设计论文题目水下无人航行器组合导航研究专业名称学生姓名指导教师毕业时间2014.06毕业任务书一、题目水下无人航行器组合导航研究二、指导思想和目的要求1.利用已有的专业知识，培养学生的解决实际工程问题的能力2.锻炼学生的科研工作能力和培养学生团队合作及攻关能力三、主要技术指标1.捷联惯导原理分析及模型建立2.应用卡尔曼滤波方法建立组合导航系统模型3.应用matlab进行仿真实现四、进度和要求第01周----第02周：撰写开题报告；第03周----第05周：组合导航相关基础知识学习；第06周----第07周：熟悉Matlab等相关软件；第08周----第13周：设计组合导航滤波方案和滤波器结构；第14周----第16周：对设计方案进行实验验证；第17周----第18周：撰写毕业设计论文，论文答辩。
五、主要参考书及参考资料[1]胡小平．自主导航理论与应用．国防科技大学出版社．2002.[2]万海. 多传感器数据融合及其应用. 西安电子科技大学出版社. 2004.[3]干国强. 导航与定位. 国防工业出版社. 2000.[4]秦永元. 卡尔曼滤波与组合导航原理西北工业大学. 1998.[5]邹维宝. INS/GNSS/SAR组合导航系统及其智能化信息融合技术的研究. 西北工业大学.[6]Dasgupta Sumantra. An augmented-reality-based real-time panoramicvision System for autonomous navigation．IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics Part A：Systems and Humans．2006.I[7]Kalman R E. A new approach to liner filtering and prediction problemsJournal of Basic Engineering Trans.On ASME. 1960.学生___________ 指导教师___________ 系主任___________II摘要传统的导航系统很难满足水下航行器精确导航定位的要求，尤其在长续航、大航程时问题尤为突出。
本文结合国内外导航技术发展的实际状况和发展方向，同时考虑水下航行器使用的特殊性，设计了水下航行器组合导航系统，通过定时引入GPS导航信息，解决了捷联惯导和多普勒组合导航情况下，定位误差随时间而积累的问题，通过仿真研究，结果表明本文所研究的设计方案合理，能够效提高长续航、大航程时水下航行器的定位精度。
全文理论研究工作和研究成果如下：1 水下航行器的捷联惯导系统设计。
详细推理了捷联惯导系统的基本导航算法,进行了捷联惯导基本的位置、速度、姿态的公式推理。
并系统分析了捷联式惯导系统的误差特性，同时建立了其误差模型方程。
2研究了全球定位系统(GPS)和多普勒导航系统。
对全球定位系统和多普勒导航系统导航定位的基本组成、导航原理进行了研究，分析了其误差来源并建立了相应的误差基本模型。
3设计了水下航行器组合导航系统。
在综合各种导航系统误差的基础上，针对长续航、大航程水下航行器的导航特点，通过航行器定时上浮接受GPS导航信息，设计了水下航行器组合导航系统。
仿真结果表明在定时引入GPS导航信息后，该导航系统能够使水下航行器定位精度有很大提高，基本克服了SINS/DVL 组合导航系统中定位误差随时间累积的问题。
关键词:水下航行器，捷联惯性导航，GPS，多普勒导航，组合导航IIIABSTRACTAs the traditional Navigation System can’t satisfy the requirements of the Navigating position of the Autonomous Underwater Vehicles(AUV),especially in the long time and long range travel. Based on the practical thing and the developments of navigation technique,we design the Integrated Navigation System of the AUV in this paper. Using timing introducing GPS navigation information,we solve the question of the positional error accumulated with the time due to strapdown inertial navigation system(SINS) and DoppIer Navigation System.And by means of simulation study,the result indicates that the design method in this paper is proper,which can increase the positioning accuracy of UA V in the long time and long range travel.The main research work is done as follows:Design the strapdown inertial navigation system of AUV. The basic navigation algorithm of SINS is inferenced detailedly.We make the formula derivation of the basic position, speed and attitude of the strapdown inertial navigation,and analysis the error characteristics of SINS systematically.And at the same time we establish its error model equation.Research the composition of GPS,the basic principle of navigation position一setting,and the analysis of data error.Aimed at the different error source,this paper establish the variant basic error model.This paper detailedly Introduce the Doppler velometer, electric gyrocompass and strapdown flux一gate azimuth finder,and so on,which compose the Doppler navigation system.Research the operating principle and error source of the subsystem. Deduce the error formula,and establish its error model.Design of the Integrated Navigation system of AUV. Based on the various navigation system error,aimed at the navigation characteristic in the long time and long range travel,by means of the vehicle receiving the GPS Navigation information by timing rise,we design the Integrated Navigation System.The simulation resultIVshows that after timing introducing GPS Navigation information this navigation system can increase the positioning accuracy evidently,and overcome the question of the positional error accumulated with the of time in SINS/DVL Integrated Navigation.KEY WORDS: AUV，SINS ，GPS ，doppler ，navigation system integrated navigationV目录第一章绪论 (8)1.1导航系统的发展概述 (8)1.2水下航行器的发展与趋势 (11)1.3惯性组合导航在水下航行器中应用的背景及意义 (13)1.4组合导航系统的构成方法和功能 (14)1.5论文的研究内容及结构安排 (15)第二章捷联惯导系统 (16)2.1引言 (16)2.2坐标系及其转换 (16)2.2.1坐标系定义 (16)2.2.2坐标转换关系 (17)2.2.3地球参数 (20)2.3捷联惯导力学编排方程 (21)2.3.1姿态更新算法 (21)2.3.2速度更新算法 (24)2.3.3位置更新算法 (25)2.4捷联惯导误差分析 (26)2.4.1惯性器件误差模型 (26)2.4.2捷联惯导误差方程 (27)2.5捷联惯导算法仿真与分析 (31)2.5.1运动轨迹生成 (31)2.5.2捷联惯导算法误差的仿真与分析 (32)第三章DVL和GPS卫星导航系统 (36)3.1 多普勒计程仪 (36)VI3.2 全球卫星定位系统GPS (38)3.2.1引言 (38)3.2.2GPS工作原理及特点 (38)3.2.3GPS导航误差来源 (41)3.2.4GPS误差模型 (43)3.3本章小结 (44)第四章组合导航系统 (45)4.1序言 (45)4.2卡尔曼滤波算法 (45)4.3系统方程的离散化 (47)4.4组合导航系统模型 (48)4.4.1INS/DVL组合导航系统模型 (48)4.5INS/GPS/DVL组合导航系统模型 (51)4.5.1状态方程 (51)4.5.1量测方程 (53)4.6组合导航系统仿真 (54)参考文献 (58)致谢............................................................................................ 错误！未定义书签。