水下机器人导航方式简介

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：“从给定的初始位臵开始，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臵信息的 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臵信息的前提下，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]。
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 Pulnix TMC-73摄像头和 Sony EVI-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。

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 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 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。
姿态传感器和速度计
3. 惯性导航系统来自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、 姿态信息和位臵信息，其导航精度可达 10m/h 以下。
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。

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 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]。
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臵校正。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臵信息相匹配，利 用匹配算法求出最佳位臵信息。 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。
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 主要用于水面位臵校正。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。

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。