水下航行器组合导航仿真系统设计与实现

建立了自主水下航行器SINS／DVL组合导航的实时仿真系统，给出了以PC104计算机为核心的AUV导航仿真系统设计方案，包括导航系统的基本硬件（CPU模块和扩展模块）和软件组成（惯性传感器模块、DVL和深度计、采样模块以及导航解算模块），介绍了AUV模型解算系统、组合导航解算系统、模块间通信等的设计原理。通过建立AUV数学模型的方法模拟出AUV运动参数来设计实际导航系统，避免了半实物仿真的时间、经费等耗费。仿真试验表明，模型和导航算法正确，所设计的导航仿真系统能够模拟传感器输出，并完成各种数据的采集、运算及组合导航工作方式和工作状态的转换，计算精度满足要求，方案可行。该系统可用于AUV系统的试验及性能分析，为AUV的导航定位提供保证。     

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。     

一种基于改进无迹卡尔曼滤波的自主水下航行器组合导航方法研究

针对自主水下航行器(AUV)导航系统对稳定性、精确性和实时性的需求,提出了一种基于改进无迹卡尔曼滤波(UKF)算法的捷联惯性导航系统/多普勒测速仪(SINS/DVL)组合导航新方法.通过分析中低精度组合导航系统的特点和误差模型,在系统的噪声模型为复杂加性噪声时,利用球面分布单形采样变换设计了一种简化UKF组合导航算法....     

远程AUV组合导航技术研究

AUV通常采用SINS/DVL组合导航系统导航,然而在大航程时存在很大的定位误差.针对远程AUV的大航程及在水下状态自主航行存在的问题,提出定时引入GPS信息达到提高导航精度目的.文中重点介绍一种采用SINS/DVL/GPS水下组合导航方式,通过定时引入GPS信息,提出组合滤波器设计方案,仿真结果验证了此设计方案可有效提高系统导航定位精度.     

捷联惯导系统级余度技术研究

为了防止捷联惯导系统由于长时间工作而导航精度变差，对导航系统之间的互补性进行了研究，介绍了SINS／GPS与SINS／DNS两套综合导航系统方面的内容．通过对系统误差、性能的分析及仿真，给出了组合导航子系统的故障检测与隔离算法．该结果表明，采用组合惯导余度技术在工程实践上确实可以解决捷联惯导系统长时间工作而导航精度变差的问题．     

基于SINS/GPS组合导航的新技术研究

随着GPS姿态测量技术的发展,提出将捷联惯导系统和GPS输出的飞行器姿态信息也可以作为组合导航系统的测量值参与滤波算法.以Kalman滤波为基础,将两个导航子系统测得的飞行器位置、速度和姿态信息进行数据融合,估计出组合导航系统的误差状态量,进而修正捷联惯导系统的导航参数.详细推导了这种组合导航方式的测量方程,并将该组合导航技术应用于某飞行器进行仿真.通过对仿真结果的分析证实了该方案的可行性和算法的有效性,具有实际应用价值.     

基于SINS/GPS组合导航的新技术研究

随着GPS姿态测量技术的发展，提出将捷联惯导系统和GPS输出的飞行器姿态信息也可以作为组合导航系统的测量值参与滤波算法。以Kalman滤波为基础，将两个导航子系统测得的飞行器位置、速度和姿态信息进行数据融合，估计出组合导航系统的误差状态量，进而修正捷联惯导系统的导航参数。详细推导了这种组合导航方式的测量方程，并将该组合导航技术应用于某飞行器进行仿真。通过对仿真结果的分析证实了该方案的可行性和算法的有效性，具有实际应用价值。     

SINS/TACAN/ADS/OES机载组合导航设计与仿真

设计了以中等精度捷联惯导系统（SINS）为主导航系统,大气数据系统（ADS）、塔康系统（TACAN）和机载光电瞄准系统（OES）三种导航系统作为辅助导航系统的机载组合导航系统。SINS／TACAN／ADS／OES机载组合导航系统由两部分构成：（1）采用联邦滤波器的SINS／TACAN／ADS组合部分;（2）机载光电瞄准系统对导航位置误差校正部分。以一条典型的飞行轨迹对所设计的SINS／TACAN／ADS／OES组合导航系统进行了全航线的仿真研究,仿真结果表明：SINS／TACAN／ADS／OES组合导航方案是可行的,可以利用现有的机载辅助导航系统来降低对惯性器件的精度要求,基本满足飞机导航系统的性能要求。     

大航程AUV SINS/DVL组合导航定位精度研究

为了进一步提高AUV的导航定位精度,研究SINS／DVL组合导航系统在大航程AUV上的应用。首先,建立其误差分析模型;然后,提出使用常规kalman滤波方程计算误差的思想;最后,在系统噪声与观测噪声已知的情况下,应用常规kalman滤波算法进行仿真分析。结果表明,该滤波存在明显发散,导致误差方差阵失去非负定性,影响滤波增值。     

基于图像声纳SLAM算法在AUV组合导航中的应用

为了在有限的体积、功耗及成本范围内提高自主水下航行器（AUV）远程、深海导航定位精度,提出了将基于图像声纳的同时定位与地图创建（SLAM）方法应用于AUV水下组合导航系统,利用图像声纳获取AUV与地形特征点之间的距离和3D方位数据,结合捷联惯性导航系统（SINS）得到的导航数据,通过扩展卡尔曼滤波（EFK）方法对载体状态和地图状态进行连续并行估计和量测,将得到的误差估计反馈回SINS进行修正,可抑制其随航行时间和距离增加的姿态、速度和位置误差。此外,在地形特征点向量中加入声学尺寸元素,可提高特征识别的准确性。仿真结果表明,在持续观测到有效的地形特征点条件下,惯导误差得到了较好抑制,特别是在AUV返程或往复巡航过程中,重复观测到同一地标时,可大幅提高水下组合导航的定位精度。     

AUV载荷水下分离方法研究

文中建立可封闭求解的AUV分离运动方程,给出各种初始参数的计算方法;并基于该方程对某AUV的载荷分离进行仿真试验,仿真结果很好地反映了AUV的载荷分离运动.     

虚拟环境下自主水下航行器的避障研究

为了在虚拟环境下模拟自主水下航行器的水平面避障过程,基于软件平台MultiGen Creator和Vega,在HP工作站上开发了自主水下航行器避障视景仿真系统。提出了一种前视声纳的仿真方法,利用Vega提供的碰撞矢量函数和自定义的Volume碰撞方式,模拟前视声纳的功能,并根据声纳所测得的障碍物相对于自主水下航行器的位置关系设计一个模糊推理系统来求解其避障角度,实现了虚拟环境下自主水下航行器的水平面避障。仿真结果表明,该视景仿真能够使仿真系统更加逼真和接近于实际情况,并且满足系统仿真的实时性要求。     

Depth Control for AUV Based on RS-LSSVM

Aimed at uncertainties and model’s impreciseness, nonlinearity and time-variability of depth control system in autonomous underwater vehicle (AUV), a depth predictive control method was put forward based on rough set (RS) and least squares support vector machine (LSSVM). By using RS theory, the monitor data attribute of AUV was reduced to eliminate the redundant information and to improve efficiency. Then, LSSVM model was trained by using the reduced rules, and its parameters were optimized by using chaos theory for the higher accurate control. Taken an AUV typed NPS Phoenix as an example, its depth step response, horizontal rudder and pitch change were simulated. The simulation results show that the method improves the model’s accuracy and has better real-time response, fault-tolerant ability, reliability and strong anti-interfere capability.     

执行器受限下水下航行器滑模控制

为解决执行器受限导致的滑模控制器在水下航行器轨迹跟踪中存在的失去滑动模态的问题,在采用二阶滑模控制器以解决执行器动力学特性限制的基础上,采用了边界层厚度动态控制的方法解决存在速率和幅值限制的有限带宽的执行器的滑动模态控制问题,通过动态调节滑模边界层厚度,滑模控制器的轨迹跟踪能力有所减弱,但是系统状态仍然保持在边界层内,保证了系统的稳定性,并且不会超越执行器限制.最后,分别采用常规二阶滑模控制和动态边界层法进行水下航行器的姿态角跟踪仿真,结果显示在二阶滑模控制已经发散的情况下,采用动态边界层法仍然能够有效进行轨迹跟踪.     

Simulation of the Movement of Long-distance AUV

In order to study the movement of the long-distance torpedo-like autonomous underwater vehicle （AUV） which is controlled by the dynamic positioning system （DPS）, by adopting momentum theorem and the angular momentum theorem, the appropriate movement math model for the long-distance torpedo-like AUV has been built and the thrust of DPS is distributed. Several representative movements of AUV are simulated, such as transferring between two random points and pointing circumrotation movement. The simulation result is analyzed. It shows that DPS including five thrusters can control the AUV movement steadily at low velocity.     

AUV舵面故障的直接自修复控制

为了提高水下航行器（AUV）控制系统的可靠性,提出了基于模型跟随法的直接自修复控制方案,通过寻找故障发生后立即产生作用且与故障的具体信息无关的直接自修复控制规律,使故障AUV迅速恢复正常工作状态。该方案无需故障辨识就可以实现多个舵面故障的完全自修复,在AUV无故障时对其性能没有任何损失,并对扰动有良好的纠偏能力。上述特点和结论均得到了数学上的严格论证和仿真结果的有效支持。     

水下航行器水平面运动的滑模控制

给出了简化的水下航行器水平面运动模型,提出了采用横向轨迹误差法和视线法相结合的基于滑模的航向控制方案,从仿真结果可以看出该控制方案具有良好的轨迹跟踪能力,能够保证水下航行器进行各种循迹航行任务.     

水下航行器动力定位系统推力器逻辑分配

简要介绍了水下航行器的动力定位系统主要组成部分的控制结构,讨论了水下航行器动力定位系统中推进器系统侧推力和力矩的多种情况,并对推进器进行了逻辑分配,绘出逻辑分配程序图.     

基于滑模观测器的AUV传感器故障检测

针对AUV(自主水下航行器)模型的非线性特点,利用滑模观测器对其进行状态估计,并将观测器输出和传感器输出之差作为残差.为了降低误检的概率,设定了两个残差阈值,当残差大于较大的阈值时,立即判定有故障发生,当残差在这两个阈值之间时,系统发生报警,并将前一段时间的一组观测数据和传感器输出数据进行统计分析,判定是否有故障发生.这样既不会漏检大幅度故障,又能够及时检测出缓变故障,达到实时故障检测的目的.仿真结果说明了这种方法的有效性.     

SLAM算法在AUV中的应用进展

同步定位与地图创建（SLAM）是水下航行器在全球范围内实现自主导航的一个基础且重要问题。首先介绍了SLAM算法在水下航行器应用的国内外最新进展,指出了SLAM算法所面临的问题,阐述了研究的环境描述、环境特征提取和不确定信息的描述等难点问题,并对SLAM算法的主要实现方式进行了归纳。最后结合水下航行器的特殊应用环境,探讨了未来SLAM算法的研究趋势和发展方向。