基于条件数的多自主水下航行器协同定位系统可观测度分析

针对基于移动长基线的多自主水下航行器（MAUV）协同定位系统,建立了MAUV的2D运动学模型与距离量测方程。利用基于Lie导数的非线性系统可观测性理论,得到协同定位系统可观测矩阵及MAUV编队的不可观测航行路径。利用奇异值分解（SVD）理论获得系统可观测矩阵的条件数,建立了协同定位系统可观测度的评价函数,并在不同MAUV航行队形对系统可观测度进行仿真分析。结果表明,系统可观测度随着MAUV航行队形的不同而变化,从而为通过变换队形来提高协同定位性能提供了有效的参考依据。     

基于最优模型选择的多信标长基线定位系统误差辨识方法

为辨识多信标长基线定位系统误差,及提高定位精度,针对目标安装多个信标且目标体积不可忽略的情况,构建了多信标体制的长基线水下定位模型。进一步针对测元系统误差中包含的声速误差、时延误差,在多信标体制定位模型的基础上,构建了多类系统误差辨识模型,并结合水下目标定位过程,计算时延残差,构建模型最优检验统计量,给出了系统误差模型的最优选择准则,实现水下目标位置参数和系统误差参数的有效估计。仿真结果表明,该模型最优选择准则可以有效选择合适的系统误差辨识模型,提高长基线水下目标的定位精度。提出的基于最优模型选择的多信标长基线定位系统误差辨识方法可为水下目标定位试验提供理论支撑和有效参考。     

一种基于量测伪距的EKF移动长基线AUV协同导航方法

在移动长基线(MLBL)定位中,由于水声信号在水中传播速度较慢,以及被定位AUV的白身运动,导致AUV与不同浮标的距离是在不同时间不同位置测量产生的,所以应用移动长基线会产生一定的时间延迟定位误差.本文针对该定位误差,提出了一种基于量测伪距的EKF移动长基线时间延迟算法,该算法利用扩展Kalman滤波,通过对AUV的位置状态的前推,重构了系统的量测方程,实现了量测方程同系统的量测量在时间上的一致性,有效地解决了时间延迟产生的误差.理论分析与仿真结果均表明,该方法可以显著提高导航定位精度.     

基于移动长基线的水下航行器定位和跟踪技术研究

针对对水下大范围工作的水下航行器的定位和跟踪,根据水声测距原理,提出了一种基于移动长基线的水下航行器定位与跟踪方法。该方法克服了常规长基线定位系统存在校准测量工作量大、工作时间短、仅能实现单水下航行器固定区域定位等缺点。该方法主要是利用安装有同步时钟、GPS和应答器的无人水面船来实现,在时间同步的基础上,由水下航行器发射水声信号,水面船接收到信号后通过声信号传播时延来计算水面船和水下航行器的距离,并结合多个无人水面船利用GPS获得的位置来解算岀水下航行器的绝对位置,从而实现多水下航行器大范围的定位与跟踪。在研究过程中,基于球面交会模型,利用最小二乘方法建立了基于移动长基线的水下航行器定位与跟踪算法。仿真结果表明,该方法可以较好地实现水下航行器的定位与跟踪。     

基于径向基函数神经网络辅助容积卡尔曼滤波的多自主水下航行器协同定位方法

在多自主水下航行器(AUV)协同定位系统中,针对协同定位性能受到系统内部和外部等多种因素制约的问题,提出一种基于径向基函数(RBF)神经网络辅助容积卡尔曼滤波(CKF)的多AUV协同定位方法。当基准参考位置可用时,通过非线性CKF得到滤波新息、预测误差和滤波增益作为RBF神经网络输入层的输入,滤波误差值作为输出对RBF神经网络进行训练;当基准信号中断时,利用训练好的RBF神经网络,对CKF的滤波状态估计值进行补偿,进而得到新的估计状态。利用湖试数据,模拟多AUV协同定位系统输入存在误差情况下的协同定位实验。实验结果表明,所提方法与无RBF辅助的CKF方法相比,平均定位误差减小70%,具有更好的准确性和稳定性。     

一种利用单信标修正AUV定位误差的方法

针对配置有捷联惯导（SINS）／多普勒速度仪（DVL）／深度传感器组合导航定位系统的自主水下航行器（AUV）的定位误差随时间增大,以及采用GPS修正定位误差引起的AUV隐蔽性降低等问题,提出了一种利用水下固定单信标修正SINS／DVL／深度传感器组合定位误差的方法。该方法首先利用水声测距原理测量出AUV与水下固定单信标的距离,然后基于空间几何关系计算出AUV的实时位置,最后通过卡尔曼滤波连续修正AUV的定位误差。仿真结果表明,该方法可以有效减小AUV的定位误差,有较好的工程应用价值。     

事件触发的多AUV编队模型预测控制算法

针对复杂环境中自治水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)编队的避障控制问题,提出一种基于事件触发的模型预测控制(model predictive control,MPC)算法。建立水下机器人运动模型,结合领航-跟随式队形控制方法,利用领航AUV的位置信息和编队期望队形得到虚拟AUV的航行轨迹及速度信息,将其作为跟随AUV的航行参考轨迹;对传统人工势场法(artificial potential field,APF)进行适应性改进,以满足AUV编队在障碍物环境中避障规划的需求;设计一种基于跟随AUV轨迹预测值与实际值误差的事件触发机制来减少求解优化问题的计算量,降低计算负担。结果表明：与其他算法相比,该算法仿真结果具有可行性和有效性。     

多AUV编队协调模糊控制策略

针对海域不同障碍环境,从运动学特性出发,提出了一种多自主水下航行器(AUV)编队避障策略.该策略是在领航-跟随法的基础上,利用编队队形的几何关系,引入虚拟AUV,再采用模糊控制避障策略,使编队能顺利通过障碍物,到达目的地.同时该策略有很好的柔性性质,能够根据障碍环境信息的不同,编队系统能保持初始编队队形运动或者适时改变编队队形运动.仿真结果表明,该策略能有效引导AUV编队系统避障.     

单领航者相对位移测量的多自主水下航行器协同导航

针对单领航自主水下航行器(AUV)协同导航系统对定位精度和实时性的要求,提出了一种新的基于相对位移量测信息的协同导航方法.通过分析单领航AUV协同导航系统的定位原理和运动学模型,结合相邻采样时刻主、从AUV间相对位置的几何关系及航位推算信息,利用扩展的Kalman滤波(EKF)导航算法实现对从AUV的定位估计.与已有的...     

一种基于单移动GPS智能浮标的AUV导航方法

针对传统全球定位系统（GPS）辅助自主式水下航行器（AUV）导航的局限性,给出了一种基于单移动GPS智能浮标（GIS）的自主水下航行器（AUV）导航方法。利用超短基线（USBL）原理设计了AUV导航天线,通过该导航天线测量GIS与天线上水听器间的角度和距离,并由两者的向量关系和GIS的坐标位置导出了系统的量测方程。应用标准卡尔曼滤波（KF）解算水听器的坐标,进而求得AUV的位置坐标。仿真结果表明,该导航方法能较好地克服GPS在水下导航中的局限性,具有机动性好、隐蔽性强等优点,研究成果有望为AUV远程精确定位、路径规划和多AUV协同导航等方面提供理论基础。     

一种基于无迹卡尔曼滤波的UUV协同定位方法

多水下无人航行器(multi-UUV)协同定位技术是解决海洋中间层水下导航定位问题的重要途径,针对以往multi-UUV仅靠距离量测的协同导航定位精度低的问题,给出了一种基于无迹卡尔曼滤波(UKF)方法的UUV协同定位方法。利用从UUV的运动学方程和基于距离的量测方程建立了从UUV的导航模型,针对该非线性导航模型,采用UKF设计了导航滤波算法,避免了对非线性方程的线性化处理,实现了递推导航滤波算法,并与传统的航位推算方法进行了仿真对比。仿真结果表明,从UUV能够利用该导航滤波算法进行实时定位,比传统的航位推算方法具有更高的定位精度。     

一种考虑时钟同步问题的多AUV协同定位算法

在多自主水下航行器（multi-AUVs）协同导航系统中,领航AUVs配备高精度导航定位设备,跟随AUVs配备低精度导航设备,领航、跟随AUVs均配备水声通信设备,跟随AUVs利用领航AUVs的广播信息获得其与领航者间的距离。本文针对领航AUVs与跟随AUVs问的时钟不同步问题,给出了AUV时钟相对偏移与相对漂移模型,并将跟随AUVs的时钟偏差作为未知量,提出了一种考虑时钟同步问题的multi-AUVs协同定位算法。仿真结果表明,该算法不仅可以大幅度提高跟随AUVs的协同定位精度,而且能够随时对跟随AUVs时钟误差进行估计,有效地提高了multi-AUVs协同导航系统性能。     

水下编队航行机器人的前馈加反馈控制器设计

介绍了一种能够实现水下机器人编队的分布式控制方法。在基于跟随机和领航机间的相对运动模型上,首先设计了前馈控制器及其内部模型以补偿视为外部信号的领航机信息,然后利用反推法设计了反馈镇定控制器,同时还设计了能够观测所有误差信号的状态观测器以实现反馈控制。算例仿真表明了应用设计的编队控制律,各个水下机器人能够较快地形成希望的编队,并按希望编队队形稳定航行,仿真结果验证了此种控制方法的有效性。     

一种分布式多无人机协同定距盘旋跟踪制导律

多无人机协同跟踪运动目标既可以全方位探测目标信息,又可以应对外界视线干扰,降低丢失目标的概率,因而具有重要研究意义。基于Unicycle模型提出了一种仅需目标和邻近无人机信息的分布式协同定距跟踪制导律,解决了传统Leader-Follower方法中编队过于依赖Leader的问题,提高了编队网络的鲁棒性。针对静止目标设计了基于相对距离与视线角的分布式多无人机协同制导律,并证明了系统稳定性;该制导律推广至对匀速及变速目标的跟踪制导;利用飞行控制器、模拟飞行软件X-Plane和仿真软件MATLAB/Simulink对上述静止、匀速和变速3种运动模式的目标分别进行协同跟踪半实物仿真,结果验证了所提制导律的有效性。     

基于领弹-从弹架构的无导引头导弹协同定位与制导方法

针对无导引头导弹在采用现有制导律时定位误差会产生较大脱靶量的问题,通过双领弹的领弹-从弹协同架构,设计了一种协同定位与制导策略,以实现无导引头导弹对静止目标的精确命中。基于扩展卡尔曼滤波,提出了一种无导引头导弹的协同定位方法。该协同定位方法与比例导引结合时存在终止时刻过载指令过大问题,因此设计一种新型变系数比例导引律,分析了变系数比例导引律的制导系数对脱靶量、终止时刻过载与最大过载的影响。仿真结果表明：采用所提出的协同定位方法可减小具有定位误差的无导引头导弹脱靶量,而采用变系数比例导引律可避免终止时刻过载指令过大。     

自主水下航行器的分离运动安全性研究

为给自主水下航行器(AUV)的分离方式选择提供理论依据,对重力解脱方式和推冲分离方式下AUV的分离运动安全性进行了定量分析。考虑到载荷与运载体之间相互影响的差异,利用多刚体力学原理,建立了两种方式下的AUV分离运动方程。根据彻底分离后载荷与运载体之间的相对距离检测,提出了一种分离安全度模型。结果表明,当载荷的重力大于浮力时,前种方式下的分离安全度随着分离前速度或辅助推力的增加而提高,预定分离角过大或过小会使其降低;对于后种方式,在低速、大推冲力条件下其分离安全性较前种方式高,在高速时则可能导致碰撞。     

洋流影响下基于单领航者的多AUV协同导航

自主水下航行器（AUV）的协同导航是海洋工程研究中的重要问题,洋流估计是其中的主要难点之一。该文基于＂未知定常＂的洋流特性假设,结合单通信和导航辅助AUV（CNA）领航的协同定位原理,建立了洋流干扰下多AUV协同导航的定位转移损失函数。利用损失函数极小化方法给出了协同导航的定位最优估计准则,借助该准则得到了洋流误差估计和协同导航算法,实现了对AUV较为实时精确的定位。仿真结果表明,该算法能够较好地解决定常洋流作用下的多AUV协同导航问题,且定位精度较高,实时性好。研究成果有望为多AUV系统总体设计、导航路径规划及跟踪等方面提供理论基础和研究手段。