AUV協(xié)同定位的教案

AUV協(xié)同定位的教案第1頁/共57頁1內容協(xié)同概念水下定位技術概述2456國內外研究進展技術特點與難點分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3第2頁/共57頁一、協(xié)同概念1.水下多AUV協(xié)同定位的重要意義21世紀是海洋的世紀，是全世界大規(guī)模開發(fā)利用海洋資源，擴大海洋產業(yè)、發(fā)展海洋經濟和爭奪海上權益的新時期。由于受海洋苛刻的自然條件以及人自身的生理條件所限，人類對海洋的探索還處于比較膚淺的階段。就當前的發(fā)展而言，水下導航問題仍然是無人水下航行器所面臨的主要技術挑戰(zhàn)之一。導航系統(tǒng)必須提供遠距離及長時間范圍內的精確定位、速度及姿態(tài)信息，受體積、質量、能源的閑置及水聲介質的特殊性、隱蔽性等因素的影響，實現航行器的精確導航是一項艱難的任務。水下高精度導航是無人航行器完成任務的關鍵，尤其對多水下航行器協(xié)作系統(tǒng)顯得至關重要，這對于多航行器系統(tǒng)的編隊保持與控制，相互間的高效協(xié)同作業(yè)起著決定性作用。第3頁/共57頁一、協(xié)同概念利用多自主水下航行器（AUV）協(xié)同作業(yè)不僅能夠承擔單體航行器難以勝任的諸多復雜任務，如大面積的海洋環(huán)境調查、海底地形地貌勘探、失事船只搜索以及軍事上的情報收集、水雷探測、沿岸反潛、中繼通信等，而且具有高效率、高可靠性、高質量的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，示意圖如圖1所示。進行多航行器協(xié)同作業(yè)首先需要確定每個航行器的相對位置關系，即解決多航行器協(xié)同導航定位問題。圖1水下AUV協(xié)同探測、掃雷示意圖第4頁/共57頁一、協(xié)同概念2.水下多AUV協(xié)同定位問題的界定及其定義2.1協(xié)同的概念協(xié)同原本指的是一種物理和化學現象，也稱為協(xié)同作用，是指兩種或多種組分一起加入，混合在一起，所產生的作用大于各種組分單獨應用時作用的總和。而其中對混合物產生這種效果的物質稱為增效劑。赫爾曼·哈肯(德國物理學家)在上世紀70年代第一次提出了協(xié)同的定義，并出版了相關書籍《協(xié)同學導論》等，對協(xié)同理論進行了系統(tǒng)地闡述和分析，指出整體環(huán)境中存在的若干子系統(tǒng)，它們之間有著相互作用、相互影響的聯(lián)系，并非是獨立存在的。在社會中類似的現象比比皆是，比如企業(yè)中的各個單位既會相互干擾和制約，又會相互配合和協(xié)作等?？梢詫⒁粋€企業(yè)看成協(xié)同系統(tǒng)，利用協(xié)同操作來實現資源的有效利用。這樣的企業(yè)整體效益大于獨立作用的總和的一部分，常常被描述為“2+2=5”或“1+1>2”。第5頁/共57頁一、協(xié)同概念(2)多AUV協(xié)同導航概念的提出(2)多AUV協(xié)同導航概念的提出2.2多AUV協(xié)同導航概念的提出由于AUV導航系統(tǒng)必須在長時間跨度、遠距離范圍提供精確的位置信息、速度信息和姿態(tài)信息，同時還必須考慮體積、質量、能量約束和特殊水下環(huán)境、隱蔽性和其他因素，使得實現AUV的精確導航定位成為一項艱巨的任務。AUV導航主要可以分為兩類：基于自身敏感器件信號的自主導航與基于外部信號的非自主導航。按照工作方式，可以分為慣性導航、地磁輔助導航、無線電導航、地形匹配導航、光學導航、聲學導航、仿生學導航、重力場輔助導航等導航系統(tǒng)。根據使用區(qū)域不同，又可以分為3層:近海面區(qū)域(水深<300m)、中間層區(qū)域(300m<水深<2000m)、海底區(qū)域(距海底<100m)，如圖2所示。第6頁/共57頁一、協(xié)同概念適用區(qū)域名稱特點導航精度近海面水域(水深≤300m)無線電導航將導航信息通過無線電波發(fā)送給AUV，以測定航位和引導航行較高衛(wèi)星導航AUV接收衛(wèi)星的導航信息，進行導航，精度高，實時性好高中間層水域(300m≤水深≤2000m)地磁場輔助導航將地磁基準圖網格化后存儲于數字計算機中，由磁力儀實時測得地磁數據序列，以進行匹配導航，干擾信息大一般重力場輔助導航與地磁場輔助導航類似，利用重力場的物理特性來輔助導航，干擾信息大一般慣性導航利用慣性敏感器件進行航位推算，誤差隨時間積累較高協(xié)同導航多AUV間測距與通信，實現導航信息共享與互相修正，提高AUV編隊導航精度高海地區(qū)域(距海底≤100m)海底地形匹配導航將測得海底地形與存儲的地形圖進行比較，來決定AUV自身的位置較高第7頁/共57頁一、協(xié)同概念2.3多AUV協(xié)同導航特殊性討論和其他平臺相比，多AUV的協(xié)同導航在運動方式、工作環(huán)境、設備配置、工作時間與負載等方面都有其特殊性：AUV需執(zhí)行水下巡邏、探測甚至進攻等任務，AUV在水中同時受到重力、浮力與水的阻力等同時作用，推進動力參數、外測速度參數、姿態(tài)參數的變化規(guī)律和地面上的運動機器人等平臺的運動有著本質的區(qū)別。水下惡劣復雜的工作條件決定了AUV必須具備體積小、重量輕、低功耗的要求，還要考慮避碰等問題，同時水下環(huán)境的特殊性，如未知的洋流、復雜的水文、地形環(huán)境等，也給導航帶來很多的瓶頸。和其他多平臺協(xié)同導航相比，水下環(huán)境決定了AUV只能以慣性導航設備、DVL和水聲通信與測距裝置為核心傳感器，使用基于相對位置測量的濾波模型，目前慣性導航短航程條件下定位精度高，但誤差會隨時間不斷累積，使導航精度降低；聲學測距精度較高，但需在載體上安裝相應水聽器，并且和無線通信相比，必然存在通信時間延遲、傳輸距離受限等問題。第8頁/共57頁一、協(xié)同概念由于上述問題的存在，AUV協(xié)同導航系統(tǒng)精度的提高需要從多方面進行考慮。1.從AUV內部影響因素方面考慮，需要精確建立協(xié)同導航模型，同時選用恰當的協(xié)同導航算法。2.從系統(tǒng)中各AUV的艇間影響因素方面考慮，需對協(xié)同導航網絡中的誤差因素，如通信延遲、洋流等進行補償。3.從整個多AUV協(xié)同系統(tǒng)的方面進行考慮，需對協(xié)同導航系統(tǒng)中的編隊構型進行優(yōu)化設計。圖1.2多AUV協(xié)同導航精度的影響因素圖1.2多AUV協(xié)同導航精度的影響因素圖1.2多AUV協(xié)同導航精度的影響因素圖3多AUV協(xié)同導航精度的影響因素第9頁/共57頁一、協(xié)同概念水下高精度導航對多AUV協(xié)作系統(tǒng)至關重要，對于多AUV系統(tǒng)編隊的保持與控制，相互間的高效協(xié)同作業(yè)起著決定性作用。由于水介質的特殊性，AUV無法有效獲取高精度的GPS衛(wèi)星信號進行導航定位；傳統(tǒng)聲學導航方法，如長基線、短基線和超短基線等，雖然應用廣泛，但是也存在諸多的不足。隨著水聲通信技術的進步，基于水聲通信網絡的多水下航行器協(xié)同定位技術得到了越來越多的關注和發(fā)展。不同航行器通過水聲通信實現信息共享，通過水聲測距實現相互觀測，進而通過信息融合技術實現導航定位誤差的協(xié)同校正。利用多水下航行器協(xié)同定位，不僅可以提高系統(tǒng)整體的導航性能，而且具有成本低、系統(tǒng)魯棒性好的特點，可以極大地增強多水下航行器系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)能力，具有重要的研究價值。第10頁/共57頁一、協(xié)同概念利用多個航行器相互協(xié)作完成指定的導航任務，平臺之間存在直接相對觀測或者間接相對觀測，通過信息交換實現平臺間導航資源的共享，從而獲得比各平臺獨自導航更優(yōu)的性能，這種導航方式稱為“協(xié)同導航”。水下多航行器協(xié)同導航技術是基于網絡的導航形式，首先從整體的多航行器協(xié)同系統(tǒng)進行考慮，需對協(xié)同導航系統(tǒng)中的編隊構型進行優(yōu)化設計，然后利用各航行器攜帶的導航傳感器，結合水聲通信技術通過水聲測距及通信一體化，共享傳感器的量測信息，最后通過對航行器間的相對位置關系進行融合提高導航與定位精度。第11頁/共57頁一、協(xié)同概念多航行器協(xié)同導航定位，具有兩種形式：（1）并行式，即系統(tǒng)中每個航行器的功能和結構相同，使用各自的導航系統(tǒng)進行定位，通過水聲通信，獲取其他航行器的位置信息；（2）主從式，也稱為領航式，即系統(tǒng)中少量領航艇裝備高精度導航設備，大量跟隨艇裝備低精度導航設備，跟隨艇通過獲得與領航艇的位置關系提高自身導航精度，并通過水聲通信確定自身在系統(tǒng)中的位置。并行式的結構簡單，但每個AUV都裝備高精度導航設備，成本將增加很多倍，而主從式兼顧了導航精度和成本，成為多AUV協(xié)同定位導航研究的主要方向。領航AUV裝備高精度慣性導航設備、多普勒速度儀、差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)、水聲通信設備等，導航系統(tǒng)以慣導設備為主，初始位置通過DGPS獲得，以多普勒速度儀測量的絕對速度作為慣導外部輸入，進一步提高了其精度。跟隨AUV裝備低精度航位推算導航設備、GPS、水聲通信設備等。跟隨AUV在執(zhí)行任務前，均通過GPS進行時間校正，以保證時間同步。第12頁/共57頁一、協(xié)同概念在協(xié)同導航定位過程中，領航AUV按照預先約定的時間間隔向外發(fā)射固定頻率的聲信號脈沖，間隔一段時間后，通過水聲通信裝置廣播領航AUV自身位置。跟隨AUV接收到聲信號脈沖和領航AUV位置后，由聲信號脈沖解算出相對距離，將位置和距離信息同自身航推結果進行數據融合，從而達到協(xié)同定位的目的，協(xié)同導航定位的關鍵是相對距離的確定。

圖4

協(xié)同導航定位原理圖第13頁/共57頁一、協(xié)同概念“協(xié)同導航”具有如下優(yōu)勢：（1）可通過系統(tǒng)中其它平臺的高精度導航信息，提高低精度運動平臺的導航精度；（2）可以利用部分平臺的有界定位誤差的導航能力，通過信息共享使各平臺都具有誤差有界的定位能力；（3）當某平臺由于傳感器或環(huán)境因素喪失獨立導航能力時，協(xié)同導航可以在一定程度上恢復其導航能力。“協(xié)同導航”相對“各自為戰(zhàn)”的導航方式，能實現平臺間的導航資源共享，具有比獨自導航更優(yōu)的性能。協(xié)同導航成為未來五十年解決水下中間層區(qū)域多AUV高精度導航的重要方法。第14頁/共57頁1內容概念與內涵水下定位技術概述2456國內外研究進展技術特點與難點分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3研究內容7第15頁/共57頁二、國內外研究進展1.國外/內水下AUV的發(fā)展現狀AUV作為一種無人的自主載體，早在1957年由華盛頓大學應用物理實驗室的斯坦·墨菲，鮑勃·弗朗索瓦設計了第一艘AUV。目前世界上比較出名的AUV的研究機構有：(1)英國阿伯丁大學(AberdeenUniversity)，海洋實驗室，其代表產品有AUDOS。(2)法國海外部門，其代表產品有ALIVE(AUV)，SWIMMER(AUV/ROV)。(3)日本KDD的海洋實驗室，其代表產品有Venus，Cablefinder，AquaExplorer2，AquaExplorer1000。(4)俄羅斯科學院海洋技術問題研究所，其代表產品有SAUV。(5)加拿大溫哥華國際海底工程研究所，其代表產品有ARCS，Dolphin，Theseus(世界上最大的AUV)，北極探險AUV(ArcticExplorerAUV)，半潛式AUV(Semi-SubmersibleAUVs)，拖魚式AUV，Aurora(該AUV設計了一個大的主動控制主翼來實現深度控制，其速度能達到12節(jié))。第16頁/共57頁二、國內外研究進展(6)美國自主水下系統(tǒng)研究所(AutonomousUnderseaSystemsInstitute，AUSI)海洋系統(tǒng)工程實驗室，其代表產品為：藍色海洋監(jiān)測AUV（如圖4所示），大排量水下無人機器人及其他水下機器人。(7)美國藍鰭機器人公司(BluefinRoboticsCorp)，其代表產品有藍鰭金槍魚-21(如圖5所示)，藍鰭金槍魚12D，12S，9M，9，SandShark?，雙便攜式AUV(HAUV)。圖5藍色海洋監(jiān)測型AUV圖6藍色海洋監(jiān)測型AUV第17頁/共57頁二、國內外研究進展我國關于AUV的研制工作開始較晚，但是仍然取得了一定的成果，目前國內的主要研究單位有：沈陽自動化所，哈爾濱工程大學，西北工業(yè)大學等。以沈陽自動化所為代表，其主要產品有探索者，CR-01，CR-02，潛龍一號。(1)探索者，作為我國第一臺無纜自治水下機器人，如圖7所示，其成功研制標志著我國關于水下機器人的研究技術逐步向深海發(fā)展。(2)“CR-01”，作為一種6000米自主水下機器人，如圖8所示，能夠對海溝以外海域進行探測。這標志著我國關于AUV的研制水平已經跨入了世界領先行列。圖7探索者AUV圖8CR-01水下自主潛器第18頁/共57頁二、國內外研究進展(3)“CR-02”，作為一種改進的6000米自治水下機器人，如圖9所示，不僅具有“CR-01”的功能，而且具有更好的機動性能。其主要的應用領域包括水下攝影、照相、深海考察、海底地勢及剖面測量、水文物理測量、深海多金屬結核斟查、深海鈷結殼調查等。(4)潛龍一號，如圖10所示。作為我國自主研發(fā)的實用化海洋裝備，其應用領域主要為進行深海資源勘探。潛龍一號上配備的淺地層剖面儀等探測設備，可實現對海底微地形地貌的精細探測，進行底質判斷，測量海底水紋參數，測定海底多金屬結核豐度等任務。潛龍一號最大的工作深度為6000m，巡航速度2節(jié)，最大續(xù)航能力24h。圖9CR-02水下自主潛器圖10潛龍一號AUV第19頁/共57頁二、國內外研究進展2.水下多AUV協(xié)作技術發(fā)展現狀近些年來，具有代表性的多AUV協(xié)作系統(tǒng)研究機構或項目列舉如下：（1）歐盟的“GREX”項目歐盟于2006年組織了德國、意大利、葡萄牙、挪威、法國等國家聯(lián)合開展了主題為協(xié)作無人系統(tǒng)的協(xié)調和控制的歐盟GREX項目，研究核心是解決多AUV的協(xié)同導航及編隊控制、通信等問題。Grex是拉丁語，意為群體，組隊的意思。該項目組對外公開的主要任務是基于多個異構無人水下航行器的協(xié)作完成海底地圖測繪，始于2006年，結題于2009年。2008年夏季和2009年11月的二次海試成功完成了多AUV協(xié)作下的海洋環(huán)境繪圖任務，驗證了可以通過水聲通信實現多AUV協(xié)同導航和控制。第20頁/共57頁二、國內外研究進展（2）美國自主海洋采樣網絡美國的自主海洋采樣網絡(AutonomousOceanSamplingNetworkAOSN)項目是多AUV系統(tǒng)用于科學考察的最典型案例。AOSNI項目，是最有影響的多AUV系統(tǒng)的基礎應用研究，由美國麻省理工學院(MIT)海洋實驗室、伍茲霍爾海洋研究所、華盛頓大學應用物理實驗室等多家研究機構共同參與完成。AOSNII項目，由美國蒙特利灣海洋研究所(MontereyBayAquariumResearchInstituteMBARI)領導，美國海洋研究局資助。該項目的目的是對一個大范圍的海洋空間進行長時間的數據收集，預測海洋的物理特性，利用多個AUV搭載不同類型的傳感器，在同一時刻測量不同區(qū)域或不同深度下的海洋參數，并采取適當的控制策略使得網絡中的每個AUV成員能夠在最重要區(qū)域進行信息收集。圖11蒙特利灣AOSNII試驗示意圖第21頁/共57頁1內容概念與內涵水下定位技術概述2456國內外研究進展技術特點與難點分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3研究內容7第22頁/共57頁三、水下定位技術概述1.傳統(tǒng)水下定位技術及發(fā)展概況按照誤差傳播方式的不同，傳統(tǒng)水下定位技術大致可以分為兩類，一種是定位誤差隨時間累積的，如INS、航位推算(DeadReckoning,DR)系統(tǒng)等；另一種是定位誤差有界，不隨時間累積的，如聲學導航等。1.1INS/DR方法INS

工作方式獨立自主、抗干擾性好、導航信息全面。導航誤差隨時間累積，昂貴，能耗高、體積大，并不適用于水下航行器，尤其是微小型水下航行器的大規(guī)模商業(yè)化應用。DR

簡單、有效、成本低廉。已知初始位置的情況下，利用簡單的姿態(tài)傳感器提供的載體航向信息以及多普勒計程儀等速度傳感器提供的載體速度信息對載體的位置信息進行遞推計算，進而實現水下航行器的導航定位。但導航效果同樣取決于傳感器的量測精度以及相互之間的坐標系匹配精度。航位推算誤差的時間累積性比較明顯，對于水下長航時工作要求的情況，往往需要輔以其它有界參考信息進行航位推算誤差的及時校正。通過水下航行器定時上浮接收GPS信號可以實現導航誤差的校正，但是在實際應用過程中往往是不現實的，尤其對于深水工作狀態(tài)下的水下航行器來說。第23頁/共57頁三、水下定位技術概述1.2其它有界誤差定位方法水下有界定位誤差的實現，通常離不開外部傳感器絕對參考信息的輔助。比較典型的水下有界誤差定位方法是聲學基線定位方法，聲學基線定位系統(tǒng)的出現為水下航行器導航定位提供了一種新的選擇?；g的連線稱為基線，根據基線長度的不同通常可以分為LBL、SLB和USBL。第24頁/共57頁三、水下定位技術概述原理優(yōu)點缺點長基線LBL依靠布設在海底的已知精確位置的至少三個聲學基元組成的聲學基陣實現對作用范圍內的目標定位。定位原理是通過測量目標與各個基元間的斜距，采用球面交匯的方法對目標進行定位。定位精度高、系統(tǒng)可靠性好系統(tǒng)構成復雜、聲基線陣列龐大、成本昂貴以及由于大量水下或海底基線陣的布放、校準、維護、回收過程復雜短基線SBL定位原理與LBL系統(tǒng)相同，區(qū)別僅在于SBL系統(tǒng)的基元是布設在船底或船舷上方便得到多個不同的斜距觀測值，可以通過母船的移動極大提高系統(tǒng)的作用范圍目標位置的解算也會受到船體姿態(tài)的影響，還需要輔以外部傳感器獲取船體實時的位置、姿態(tài)和航向信息超短基線USBL所有的收發(fā)器基元按照精確的相對位置關系集成安裝在一個收發(fā)器中構成一個聲學基陣，基于目標到每個基元的相位差進行目標位置解算安裝使用方便、成本低、對載體的體積尺寸要求不高系統(tǒng)的定位精度受外部姿態(tài)校準精度影響較大為進一步降低系統(tǒng)的復雜性，繼聲學基線定位系統(tǒng)之后，又發(fā)展了基于單水面固定信標的定位方法。相比長基線系統(tǒng)，單信標定位系統(tǒng)只需要布設一個水面信標，復雜度降低，成本需求大大減少。如果采用母船攜帶信標工作，則可以進一步增強系統(tǒng)的便利性。第25頁/共57頁三、水下定位技術概述2.水下協(xié)同定位技術采用協(xié)同定位不僅可以實現水下航行器的高精度導航，為多水下航行器的協(xié)作應用提供重要技術保障，而且具有成本低、實現簡單、可靠性好以及不受區(qū)域限制等優(yōu)點，具有重要的研究價值。水聲通信技術的進步使得諸如上述單信標定位的參考信標位置信息實現實時傳遞，水下航行器通過水聲通信Modem獲取參考信標的位置信息以及相對信標的水聲距離量測信息，進而通過信息融合技術實現自身位置誤差的協(xié)同校正。由于不再限制參考信標位置狀態(tài)的固定不變，同時又類似于長基線系統(tǒng)的定位原理，因此也稱這種基于水聲通信技術的水下定位方法為移動長基線(MLBL)定位。隨著水下航行器技術的發(fā)展以及某些特殊的使命任務需求，進一步增強水下航行器的導航自主性和隱蔽性，摒棄水面ASC，轉而完全利用水下航行器進行協(xié)同導航正逐漸成為當前水下導航領域的研究熱點。通常情況下，在多水下航行器協(xié)作系統(tǒng)中，利用一個或少數幾個航行器配備高精度的導航設備，或者通過航行器定期上浮獲取準確的GPS位置信息，以實現對其它航行器定位誤差的協(xié)同校正。第26頁/共57頁三、水下定位技術概述3.系統(tǒng)可觀測性問題從水下協(xié)同定位技術的發(fā)展趨勢來看，基于單領航方案的協(xié)同定位無疑更具有吸引力，正受到越來越多的關注和發(fā)展。然而，由直觀的幾何定位法可以得出，單獨的一個距離觀測信息顯然無法給出一個確切的位置參考，也就是說采用單領航方案的協(xié)同定位系統(tǒng)可觀測性是比較弱的。系統(tǒng)可觀測是實現水下航行器協(xié)同定位的前提條件，尤其對于單領航方案來說至關重要。如果所描述的系統(tǒng)是可觀測的，則載體自身定位誤差就可以通過融合主艇相對精確的位置信息以及二者間距離量測信息進行協(xié)同校正；反之，則不論采用什么樣的濾波算法都無法實現位置狀態(tài)的準確估計。第27頁/共57頁三、水下定位技術概述4.技術類別及特點分析根據實現技術方法的不同，協(xié)同定位技術大致可以分為如下幾類：(1)根據協(xié)同配置方案的不同可分為主從式和并行式兩種。并行式，即系統(tǒng)中每個航行器的功能和結構相同，使用各自的導航系統(tǒng)進行導航定位，通過水聲通信，獲得伙伴航行器的位置信息。在系統(tǒng)運行過程中每個航行器互為參考，彼此校正。主從式，即系統(tǒng)中少量主航行器裝備高精度導航設備作為主參考節(jié)點，為了降低成本其他從航行器裝備低精度導航設備，從航行器通過獲得與主航行器的位置關系提高自身導航精度，并通過水聲通信確定自身在系統(tǒng)中的位置。相比主從式結構，并行式系統(tǒng)結構簡單、配置更靈活、魯棒性更好、更容易執(zhí)行一些高危險性的，航行器易損失的任務。但每個航行器都裝備高精度導航設備，成本將增加很多倍，而主從式兼顧了導航精度和成本，成為多航行器協(xié)同定位導航研究的主要方向。第28頁/共57頁三、水下定位技術概述(2)根據聲學測距方式的不同可以分為基于雙程測距和單程測距兩種。雙程測距(TwoWayTravel-Time,TWTT)不需要保持時鐘同步性，實現簡單，是目前實現協(xié)同定位應用最為普遍的一種距離觀測手段。但是，由于TWTT每次通信只能實現一對一的距離量測，測距效率低，對于多水下航行器協(xié)作應用系統(tǒng)來說具有一定的局限性。單程測距(OneWayTravel-Time,OWTT)模式的最大優(yōu)勢在于只要參考節(jié)點廣播發(fā)送一測距脈沖信號，其它任一節(jié)點只要接收到該測距信號即可計算得到相對參考節(jié)點的距離信息，也就是說，OWTT可以實現同一時刻一對多的距離量測。圖14雙程測距模式圖15單程測距模式第29頁/共57頁三、水下定位技術概述水聲距離觀測是目前實現水下航行器協(xié)同定位唯一有效的觀測手段，測距精度的好壞、測距效率的高低直接影響多水下航行器的協(xié)同定位效果。對于多水下航行器協(xié)同定位系統(tǒng)來說，采用不同的水聲測距模式意味著完全不同的技術方案特點。TWTT不需要保持時鐘同步性，實現簡單，是目前實現協(xié)同定位應用最為普遍的一種距離觀測手段。但是，由于TWTT每次通信只能實現一對一的距離量測，測距效率低，對于多水下航行器協(xié)作應用系統(tǒng)來說具有一定的局限性。因此，雙程測距僅僅適用于航行器數目比較少，或者航行器定位精度相對較高，對系統(tǒng)的協(xié)同校正頻率要求不高的系統(tǒng)中。相較于TWTT測距模式，OWTT測距模式的最大優(yōu)勢在于只要參考節(jié)點廣播發(fā)送一測距脈沖信號，其它任一節(jié)點只要接收到該測距信號即可計算得到相對參考節(jié)點的距離信息，也就是說，OWTT可以實現同一時刻一對多的距離量測?；贠WTT測距模式的協(xié)同定位方案具有更高的協(xié)同更新頻率，且系統(tǒng)可擴展性強、協(xié)同定位算法簡單，尤其適用于航行器數目較多的協(xié)同定位系統(tǒng)，是實現協(xié)同定位最理想的測距模式。第30頁/共57頁1內容概念與內涵水下定位技術概述2456國內外研究進展技術特點與難點分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3研究內容7第31頁/共57頁四、技術特點與難點分析1.水下多AUV協(xié)同定位通信方案實際應用過程中，出于系統(tǒng)任務需求及可行性考量，通常利用領航艇的航路機動來滿足系統(tǒng)的可觀測性要求，只要主從航行器不沿一條直線軌跡航行系統(tǒng)即可觀測。以水聲雙程測距為例：在整個AUV系統(tǒng)運行過程中，通過位于不同方位的兩個主AUV對從AUV進行交替協(xié)同，可以更有效地實現AUV航位推算誤差的協(xié)同校正。第32頁/共57頁四、技術特點與難點分析2.水下多AUV協(xié)同定位原理實現AUV間的協(xié)同定位，首先需要構建可靠的通信網絡，保證相互間有效的信息傳遞。由于水介質的特殊性，水聲通信是實現水下AUV協(xié)同定位的重要通信手段，同時，基于水聲通信的水下聲學測距技術則是目前實現水下AUV協(xié)同定位最為有效、可靠的觀測手段。在系統(tǒng)運行過程中，當配備低精度導航裝置的AUV利用水聲通信設備獲取高精度AUV的位置信息以及二者間相對距離參考信息后，即可利用該參考信息實現自身位置誤差的協(xié)同校正，實現AUV間的協(xié)同定位基于距離觀測的水下AUV協(xié)同定位示意圖第33頁/共57頁四、技術特點與難點分析單艇航位推算的示意圖協(xié)同定位的示意圖第34頁/共57頁四、技術特點與難點分析區(qū)別于傳統(tǒng)的基于無線電網絡的陸上(或空中)機器人協(xié)同定位，水下航行器協(xié)同定位主要依靠水下聲學通信實現相互間的距離量測及參考信息的傳遞。鑒于復雜的水下聲學通信環(huán)境以及獨特的水聲通信技術特性，實現水下航行器協(xié)同定位具有其獨特的技術特點與難點。主要表現在以下幾個方面：1）.系統(tǒng)可觀測性弱原因主要有兩方面：一是單純依靠水聲距離觀測的觀測信息量不足，加之水下航行器機動性較差，相比陸地(或空中)機器人系統(tǒng)來說，通過保持相對機動運行狀態(tài)來提高系統(tǒng)的可觀測作用不是太明顯；二是由于水聲信號的易阻塞性。第35頁/共57頁四、技術特點與難點分析2）.協(xié)同更新頻率低協(xié)同更新頻率的高低直接關系到協(xié)同定位狀態(tài)估計效果的好壞，能夠在越短的時間間隔內獲得有效的相對距離觀測信息，就可以越及時地實現自身位置誤差的協(xié)同校正，進而提高系統(tǒng)的協(xié)同定位效果。加之水聲信號傳輸速率較慢，勢必決定了系統(tǒng)較低的協(xié)同更新頻率。3）.系統(tǒng)噪聲復雜協(xié)同定位問題最終歸結為狀態(tài)估計問題，即如何根據相互間的水聲距離觀測信息實現自身位置狀態(tài)的準確估計。對于水下航行器協(xié)同定位系統(tǒng)來說，由于復雜的工作環(huán)境以及傳感器性能參數的限制，不可避免存在系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計特性不準確或者噪聲時變性問題進而影響協(xié)同定位系統(tǒng)的狀態(tài)估計性能。必須保證狀態(tài)估計算法對于不確定的系統(tǒng)噪聲良好的自適應性以及對于異常觀測信息良好的魯棒性。第36頁/共57頁四、技術特點與難點分析4）.觀測實時性差實時準確的觀測信息是保證良好狀態(tài)估計性能的重要因素。然而，由于水聲信號的低速率傳輸特性以及聲學信號轉換處理過程的時間損耗，無疑會導致觀測信息的傳輸時延，進而影響協(xié)同定位的狀態(tài)估計效果，尤其對于長距離、大機動運行下的協(xié)同定位系統(tǒng)影響較大。為此，針對系統(tǒng)的觀測時延特性，設計合理的時延補償方案，對于保證系統(tǒng)的協(xié)同定位效果具有重要現實意義。從現有的研究進展來看，上述問題依然是制約水下航行器協(xié)同定位性能的重要因素。要實現水下航行器高性能的協(xié)同定位，仍需進一步尋求更為穩(wěn)定、可靠、有效的協(xié)同定位算法。第37頁/共57頁1內容概念與內涵水下定位技術概述2456國內外研究進展技術特點與難點分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3第38頁/共57頁五、協(xié)同定位中的濾波算法1.卡爾曼濾波(KalmanFilter，KF)算法在1960年由卡爾曼(R.E.Kalman)提出，是一種線性最小方差估計?？柭鼮V波采用遞推算法，將狀態(tài)空間法在時域空間內與濾波估計結合，以系統(tǒng)狀態(tài)估計的均方誤差最小為最優(yōu)衡量標準，建立被估計信號與噪聲的數學模型，利用上一時刻的系統(tǒng)狀態(tài)估計值對當前時刻系統(tǒng)狀態(tài)進行預測，并利用當前時刻的外界觀測量對預測值進行修正。2.擴展卡爾曼濾波(ExtendedKalmanFilter，EKF)卡爾曼濾波是在假設物理系統(tǒng)的數學模型為線性的前提下對問題進行研究。但是，多AUV協(xié)同導航所處理的是非線性模型，普通卡爾曼濾波無法適用。EKF正是為了解決卡爾曼濾波在非線性系統(tǒng)中的應用而產生的，它通過對非線性函數進行泰勒級數展開，對展開式中的高階項進行線性截斷，只保留一階項，從而將非線性問題轉化為線性。第39頁/共57頁五、協(xié)同定位中的濾波算法EKF是最早使用的在卡爾曼濾波基礎上發(fā)展而來的非線性濾波算法，其算法思想體系成熟，實現方法深入完善，計算量及復雜程度不高，在工程上得到了極其廣泛的應用，如飛機和艦船上的慣性導航系統(tǒng)、導彈的制導系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)估計及其他很多工業(yè)控制系統(tǒng)當中。但是，EKF通過對非線性函數的Taylor展開式進行一階線性化截斷，同時忽略高階項而實現非線性算法，這必然會造成以下不足。當系統(tǒng)具有較高非線性程度，忽略非線性函數Taylor展開式中的高階項會造成較大的截斷誤差，使濾波精度降低，甚至導致濾波發(fā)散。但是，系統(tǒng)是否滿足近線性取決于變換的形式、當前狀態(tài)估計和協(xié)方差的數值大小等諸多因素，較為難以判斷。EKF算法涉及非線性函數雅克比矩陣的求解，而雅科比矩陣的計算繁瑣，容易出現錯誤，非線性函數的雅克比矩陣求導也不易在實際的工程應用中進行。EKF計算中涉及到求導數問題，必須對非線性函數具體形式清楚了解，難以進行模塊化應用。第40頁/共57頁五、協(xié)同定位中的濾波算法3.無跡卡爾曼濾波(UnscentedKalmanFilter，UKF)EKF需要計算雅可比矩陣，存在引入較大舍入誤差等問題，Julier等人在1995年提出了無跡卡爾曼濾波算法(UnscentedKalmanFilter，UKF)。UKF是一種用采樣策略逼近非線性分布的方法，以UT變換為基礎求得采樣粒子點(通常稱為Sigma點)，將粒子點代入原系統(tǒng)的非線性方程，變換得到一步預測粒子點，再對其進行數學統(tǒng)計處理，將其復原成本來的系統(tǒng)狀態(tài)。UKF沒有對非線性模型進行線性變換，而是直接利用真實的系統(tǒng)模型，從而可以達到更高的精度。UKF也適用于離散或噪聲非加性的系統(tǒng)，應用范圍更廣；由于采用了確定性采樣策略，UKF中不會出現粒子衰退問題。UT變換是基于這樣的先驗知識與用一個高斯分布對任意的非線性函數進行近似相比，通過固定數量的參數去對這個非線性函數進行近似或變換更容易。UT變換實質就是按照一定的采樣規(guī)則將系統(tǒng)狀態(tài)離散成一組sigma粒子點，使每個點的均值和協(xié)方差與原狀態(tài)分布的均值和協(xié)方差相等。第41頁/共57頁五、協(xié)同定位中的濾波算法4.容積卡爾曼濾波算法(CubatureKalmanFilter，CKF)為了進一步提升非線性濾波性能，2009年加拿大學者Arasaratnam提出了一種基于容積準則的高斯濾波算法容積卡爾曼濾波算法(CubatureKalmanFilter，CKF)。CKF通過選取一組滿足求容積準則的、具有相同權重的采樣點，經過非線性方程的轉換，產生新的點集來給出下一時刻系統(tǒng)狀態(tài)預測的概率密度函數。通過點估計的方法，CKF避免了對非線性系統(tǒng)模型的線性化近似處理，從而可以達到三階泰勒展開的精度。CKF避免了對非線性模型的線性化處理，不依賴于具體系統(tǒng)模型的非線性方程，算法相對獨立，適用于任何形式的非線性模型；CKF的容積點集通過積分得到，采用偶數并具有相同權值的點集，從而使用了更少的采樣點數；CKF不存在負權值的點，因此可以使用平方根CKF處理實際問題，通過傳播狀態(tài)的方差平方根，確保了方差矩陣的對稱性和正定性，一定程度上緩解了濾波過程中舍入誤差導致的濾波發(fā)散和數值精度降低的問題，具有比UKF更好的濾波性能。第42頁/共57頁五、協(xié)同定位中的濾波算法仿真實驗領航艇與跟隨艇真實航行速度為1m/s，跟隨艇航推速度為1m/s，速度誤差為0.1，航向角誤差為0.1°，定位誤差為0.2m，距離量測誤差為0.1m。領航艇起點(500,0)，以初始航向角60°沿直線航行，跟隨艇起點(0,0)，以初始航向角60°做S形機動。設濾波周期為1s，航行時間為1800s。領航艇與跟隨艇實際運動軌跡艇如下圖所示。圖20領航艇與跟隨艇實際軌跡第43頁/共57頁五、協(xié)同定位中的濾波算法分別采用EKF，UKF和CKF協(xié)同導航濾波算法，對跟隨艇的位置進行估計并進行仿真。根據仿真結果，分別作出跟隨艇定位誤差比較圖和協(xié)同導航軌跡圖。跟隨艇定位誤差比較圖跟隨艇協(xié)同導航軌跡圖及其局部放大第44頁/共57頁六、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計算量的大小，對每種算法分別進行50次仿真，統(tǒng)計每次仿真的程序運行時間，并計算其平均值，由于水下聲學通信環(huán)境的特殊性，相比基于無線電網絡的陸上或空中多機器人協(xié)同定位系統(tǒng)來說，基于水聲通信網絡的多水下航行器協(xié)同定位系統(tǒng)具有其獨特的技術特點與難點，如：信道帶寬窄、數據傳輸率低、系統(tǒng)可觀測性弱等，極大限制了水下航行器的協(xié)同定位性能。影響主AUV與從AUV之間距離測量的因素主要包括聲速誤差、聲線彎曲、主AUV與從AUV之間的時鐘未校準引起的誤差以及時間延遲等。1.近海面氣泡層的影響當海水中存在氣泡時，它的可壓縮性增加。令β為絕對熱壓縮系數，β=β0+β1，β0是沒有氣泡時的壓縮性，β1是氣泡產生的附加部分，相應地聲速c=√(1/ρ·β)減少。其減小的比例取決于所含氣泡的數目。由于海面附近氣泡的數目按其半徑呈現一種分布，那么當聲波的頻率變化時，起主要作用的那些接近共振氣泡的數目也隨之變化，結果使得聲速的減小呈現某種頻率特性。第45頁/共57頁六、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計算量的大小，對每種算法分別進行50次仿真，統(tǒng)計每次仿真的程序運行時間，并計算其平均值，2.多普勒效應誤差影響我們要根據水聲信號從主AUV到從AUV傳播的時間來計算從AUV相對主AUV的相對距離。如果聲波在水中的傳播速度發(fā)生變化，勢必會引起距離的測量誤差，進而會對從AUV的協(xié)同定位精度產生影響。由聲學基礎可知，在流體介質中，聲波是彈性縱波，縱波聲速可表示成c=√(1/ρ·β)其中為ρ密度；β為絕對熱壓縮系數。由于ρ和β都是溫度、鹽度和靜壓力的函數；因而，水中的聲速也是溫度、鹽度和靜壓力的函數。聲波在水中的傳播速度是隨海水的溫度、鹽度和深度的變化而變化的，因此聲速值與水中溫度、鹽度和深度有關，并在1450m/s-1550m/s之間變化。而根據大量聲速測量值，可以總結得到的聲速隨溫度、深度和鹽度的變化規(guī)律。在大洋中，鹽度每變化1‰，聲速的變化量約為+1.5m/s，所引起的測量誤差約為0.07%，若船舶由海水航行至淡水時測量誤差可達到2%。；海水溫度每增加1聲速的變化約為+3.03m/s，測量誤差約為0.2%；海深每變化10m，聲速變化為0.165-0.185m/s。第46頁/共57頁六、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計算量的大小，對每種算法分別進行50次仿真，統(tǒng)計每次仿真的程序運行時間，并計算其平均值，通過仿真得到的測距誤差與溫度的關系，艇間間距為200m。其中鹽度S=35‰，深度為100m。圖24測距誤差與溫度的關系曲線第47頁/共57頁六、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計算量的大小，對每種算法分別進行50次仿真，統(tǒng)計每次仿真的程序運行時間，并計算其平均值，測距誤差與鹽度的關系，其中溫度為T=25°，深度為100m。圖25測距誤差與鹽度的關系曲線第48頁/共57頁六、水聲