单信标距离测量的AUV导航方法

针对单信标测距导航方法中的系统可观测性和洋流干扰问题,通过建立自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）的三维运动学模型,利用线性时变系统的局部可观测性理论得到了系统关于AUV运动路径的可观测性条件,并采用扩展Kalman滤波导航算法实现了对AUV的位置和未知洋流的在线估计.仿真结果表明,对于满足系统可观测性的运动路径,该导航方法可有效抑制洋流干扰下系统的定位误差增长,使定位误差保持有界,并对未知洋流做出较为准确的估计.     

基于双主交替领航的多AUV协同导航方法

基于单主模式的AUV协同导航系统的可观测性弱,对主AUV的机动性要求较高,实现较为困难,针对这一问题,提出一种基于双主交替领航的多AUV协同导航方法。在相邻量测时刻,从AUV分别利用不同主AUV的距离观测进行导航误差的协同校正。首先建立了AUV协同导航系统的数学模型;然后利用谱条件数法对AUV协同导航系统的可观测性进行了定量分析,明确了系统可观测度大小与相邻时刻主从AUV机动状态的对应关系,为利用双主交替领航提高系统可观测性提供了理论依据。通过与单主方案进行对比试验,验证了双主交替领航方案的有效性和可行性。     

基于距离量测的主从式AUV协同定位系统观测性研究

研究了基于距离量测的主从式自主水下航行器(AUV)协同定位系统观测性问题。主AUV可以利用装备的高精度导航设备进行精确定位,从AUV装备低精度导航设备,需融合主从AUV之间的距离量测进行水下定位。针对控制输入对协同定位系统可观测性的影响,建立了从AUV在主AUV体坐标系中的运动学模型,并选取主从AUV间的距离值作为观测量,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析了不同控制输入下协同定位系统的观测性。仿真结果表明,对于可观测的协同定位系统,从AUV的位置估计具有良好的收敛性和定位精度。     

一种深空自主导航系统可观测性分析方法

针对非线性系统的可观测性,本文结合微分几何相关理论通过李导数求解系统的可观测矩阵,利用条件数给出了一种衡量系统可观测度的分析方法;将其应用于基于太阳视线矢量的深空自主导航系统的可观测性分析,研究了不同轨道参数对系统可观测性能的影响;为进一步验证导航系统可观测度与状态估计精度之间的关系,结合非线性扩展卡尔曼滤波建立导航算法,对不同可观测度条件下的自主导航系统分别进行仿真分析.从仿真结果可以看出,本文提出的可观测性分析方法是可行的。     

捷联惯性/星光折射组合导航算法

基于星光折射间接敏感地平的高精度特性,本文提出了一种捷联惯性/星光折射组合导航方法．利用星敏感器输出的姿态信息修正陀螺漂移,并结合大气折射模型得到星光折射角来修正位置、速度误差．推导了组合导航系统的观测模型,并对系统进行可观测性分析,最后使用卡尔曼滤波进行状态估计．仿真结果表明:捷联惯性/星光折射组合导航系统不但能够准确的估计陀螺漂移,而且能够有效修正由加速度计偏置造成的误差,从而进一步抑制速度、位置误差的发散,是一种提高系统定位精度的实用方法．     

深空着陆器对偶控制策略

以深空着陆任务为背景,针对视觉导航过程中由于有限观测能力引起的估计性能不佳问题,研究了一种深空着陆器对偶控制策略.该策略将导航估计不确定性引入系统状态,给出包含与估计方差相关的二次型性能指标评价方法,利用着陆状态可观测性与着陆轨迹之间的耦合特性,合理优化观测轨迹,克服着陆过程中可观测性缺乏问题,大幅度提高系统的导航估计性能,使深空着陆器导航制导控制整体性能得到保障.     

EKF和UKF在非线性组合导航系统中的对比研究

采用组合导航系统在对目标的位置、航向进行测量时,其状态模型和观测模型中存在非线性问题,采用基于EKF和UKF的非线性滤波算法以改善传统Kalman滤波的估计精度,并保证算法收敛性.通过建立组合导航的状态方程和量测方程,分别采用EKF和UKF对状态方程中的非线性部分进行离散化,仿真实验结果表明,采用基于UKF的非线性导航算法能有效提高导航位置精度和系统稳定性.     

惯性/天文/卫星组合导航误差在线标定方法

为提高惯性/天文/卫星(INS/CNS/GNSS)组合导航系统长期工作时的精度,推导了基于四元数误差描述的组合导航系统误差状态方程和量测方程,利用分段定常系统(PWCS)定理,分析了不同输入条件下系统状态变量的可观测性和可观测度.结合可观测性和可观测度分析结果,提出了利用星敏感器及卫星导航系统提供的姿态、位置矢量在线标定陀螺仪、加速度计和星敏感器误差参数的方法.可观测性分析和仿真试验结果表明,该方法可以精确在线估计出陀螺仪、加速度计、星敏感器的标度因数、零偏和安装误差,提高惯性/天文/卫星组合导航系统长期在轨工作的精度.     

Xtion深度摄像头在移动机器人导航中的应用

为了提高机器人在室内移动过程中的感知能力,在移动机器人的导航系统中引入Xtion三维深度摄像头作为传感单元,以数据融合单元和路径规划单元为核心,设计了具有机载Xtion摄像头的移动机器人导航系统.系统采用IMU(Inertial measurement unit)和增量式光电编码器作为视觉导航的补偿传感器来弥补Xtion深度摄像头在80cm以内位置感应能力的不足,并采用一种机器人位移、偏移度数据融合算法,对Xtion生成的位移、偏移度数据进行修正.最后利用A*路径规划算法进行机器人的路径规划,在导航系统的作用下,实现机器人从起始位置到设定的目标位置的无碰撞运动.实验结果表明:在机器人导航中,Xtion深度摄像头与补偿传感器融合,比仅使用IMU和光电编码器的方法在导航中能提供更准确的位置感知数据和行进航迹,可以更好地帮助移动机器人完成自主导航.     

一种基于VINS/FINS组合导航方法

针对视觉惯性组合导航系统中微惯性器件精度偏低,以及足部惯性导航系统航向角误差可观测性差的问题,研究了一种基于上述两种系统的信息双向融合的导航定位方案. 该方法的系统结构由安装于双足步行机器人躯干部分的惯性导航系统和安装于其足部惯性导航系统两部分组成. 惯性导航系统通过视觉同时定位与地图构建数据融合方法可以获得相对准确的航向角,足部惯性导航系统利用零速修正后的位置信息实时修正惯性导航系统中的低精度惯性器件误差,从而构建视觉与惯性信息双向融合的组合导航系统结构. 实验结果表明,该组合导航方案可以有效提高双足步行机器人的航向精度和定位精度.     

Multi-Scale Fusion Algorithm for AUVs Integrated Navigation Systems

To deal with the low location accuracy issue of existing underwater navigation technologies in autonomous underwater vehicles(AUVs),a distributed fusion algorithm which combines the model's analysis method with a multi-scale transformation method is proposed for integrated navigation system based on AUV.First,integrated navigation system theory and system error sources are introduced in details.Secondly,a navigation systems observation equation on the original scale is decomposed into different scales by the discrete wavelet transform method,and noise reduction is performed by setting the wavelet de-noising threshold.At last,the dynamic equation and observation equations are fused on different scales by the wavelet transformation and Kalman filter.The results show that the proposed algorithm has smaller navigation error and higher navigation accuracy.     

Analysis and innovation of key technologies for autonomous underwater vehicles

As the mission needs of the autonomous underwater vehicles(AUV) have become increasingly varied and complex,the AUVs are developing in the direction of systematism, multifunction, and clustering technology, which promotes the progress of key technologies and proposes a series of technical problems. Therefore, it is necessary to make systemic analysis and in-depth study for the progress of AUV's key technologies and innovative applications. The multi-functional mission needs and its key technologies involved in complex sea conditions are pointed out through analyzing the domestic and foreign technical programs, functional characteristics and future development plans. Furthermore, the overall design of a multi-moving state AUV is proposed. Then, technical innovations of the key technologies, such as thrust vector, propeller design, kinematics and dynamics, navigation control, and ambient flow field characteristics, are made, combining with the structural characteristics and motion characteristics of the new multi-moving state AUV. The results verify the good performance of the multi-moving state AUV and provide a theoretical guidance and technical support for the design of new AUV in real complex sea conditions.     

一种用于AUV导航控制软件开发与系统测试的半实物仿真系统

设计并完成了用于自主水下航行器(AUV)导航控制软件的开发与系统测试的半实物仿真系统。该半实物仿真系统由实时仿真计算机和真实的导航控制计算机构成,实时仿真计算机完成AUV空间运动的实时积分解算,并利用多功能数据采集卡和串行通讯端口模拟AUV导航控制系统中的传感器和操舵机构的工作,为导航控制计算机提供全真的软硬件工作环境,使开发人员在此基础上能够完成导航控制软件全部功能的开发,并进行全面、有效的系统级软件测试,具有非常高的工程实用价值。尤其在实航试验中,可以立即在现场对修改后的导航控制软件进行测试,极大地降低了由软件修改带来的试验风险。     

Maneuverability simulation of a mini autonomous underwater vehicle

In order to simulate the under water motion of a mini autonomous underwater vehicle( AUV) and an- alyze its maneuverability,the dynamical characteristic of the mini AUV was researched. The 6-DOF motion equations were founded. Through model experiment with accessory bodies,the hydrodynamics of AUV body including resistance,main inertial and viscous hydrodynamic coefficients was obtained. The hydrodynamics of rudders was gained through theoretical calculation. Simulation computation of the vehicle was carried out through numerical integration of the motion equations. A motion simulation system was constructed. Four typical maneuvers in horizontal and vertical planes were simulated and the maneuverability of the mini AUV was forecasted. The simulation results reflect the basic motion characteristic of mini AUV and validate the feasibility and correctness of the whole system. The simulation system can be a testing platform for the design and debugging of motion controller and an effective tool for the development of AUV.     

自主式水下机器人试验平台研制与实验研究

为了进行自主式水下机器人智能行为的研究，自行研制了“海狸”水下机器人试验平台．介绍了“海狸”水下机器人的系统结构，在分析推进器性能的基础上，通过数字罗盘、加速度计以及深度计等传感器获得的运行速度、角速度等位姿信息，建立了水下机器人前向运动模型，进行了水下机器人运动控制与状态监测系统的实验研究．水池实验结果表明，“海狸”水下机器人可实现自主式水下机器人的基本运动控制，所建立的水下机器人前向运动模型能够描述水下机器人试验平台的动态行为，状态监测算法能够识别水下机器人的典型故障，从而验证了所提算法的有效性，同时也验证了作为水下机器人智能行为研究载体的试验平台的有效性和可行性．     

一种基于UKF的AUV移动声学网络协同导航方法

针对扩展卡尔曼滤波(EKF)在自主水下航行器(AUV)移动声学网络协同导航中,存在强非线性观测方程条件下线性化误差大、计算复杂等缺点,文章提出一种基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的AUV移动声学网络协同导航方法.利用移动长基线原理和UKF方法,建立基于UKF的协同导航滤波算法,并通过仿真实验与传统的EKF协同导航算法进行对比.仿真结果表明,基于UKF的协同导航算法能明显减小导航定位误差,在导航精度上优于EKF方法,是AUV协同导航中一种更加简单有效的导航滤波方法.