CN102914786A

CN102914786A - 水下自主航行器auv自主定位方法

Info

Publication number: CN102914786A
Application number: CN2012103612034A
Authority: CN
Inventors: 张全新; 仲彦; 王文明; 孙智; 李元章; 马忠梅
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: CN102914786B

Abstract

本发明涉及一种水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步骤：一、为每个AUV设定目标位置，然后让AUV自主前往目标位置工作；二、AUV下潜后，由于追踪仪器和水流对误差造成的影响，定位精度会慢慢下降；三、各AUV定期向周围广播其坐标信息以及坐标精确度λ；四、各AUV实时计算定位精度，每当AUV的坐标精确度λ低于限定值，或者至少三个邻节点的坐标精度高于自身，此AUV就会进行坐标更新。本发明无需采用传统的水面或者水底定位锚标，可以延长AUV在水中滞留工作的时间，并且为全分布式，无中心控制，无数量限制，对网络拓扑结构无限制，可以利用正常通讯信息搭载坐标和精确度信息，有利于减少通讯量，技术成熟，运算负担轻。

Description

水下自主航行器AUV自主定位方法

技术领域

本发明涉及一种水下自主航行器(AUV)定位方法，属于水下无线网络领域。该发明同样适用于水下无线传感器节点。

背景技术

电磁波信号无法穿透水体，因此类似GPS等定位信号无法为AUV提供定位信息。同时目前AUV主要是单个应用或者有限个应用，协同定位方面并不是其研究重点。其主要定位技术是采用类似于“遥控”的远程声波定位控制技术，例如LBL(long baseline)、SBL(short baseline)和USBL(ultra short baseline)等声控定位技术。此外还出现了借鉴GPS定位技术的水面浮标(buoy)和水底锚标(anchor)定位技术。但这些技术在某些特定的应用场合都存在不足。例如，声控方法有距离限制，并且当声控设备和AUV之间存在遮挡物时会无法传递声学信号。而浮标和锚标方法必须事先在规划工作区域铺设定位标识点，当其长期存在时，容易暴露目标，不利于隐藏，并且其补充能量也是个很大的挑战。而在AUV的某些应用中，其工作区域无法提前获知，更无法事先布设定位参照点。

发明内容

本发明的目的是：无需采用传统的水面或者水底定位锚标，让高定位精确度的信息尽量扩散，协助低定位精确度的节点提高定位精度。只要AUV的定位精确度满足设定要求，则该AUV就可以一直滞留水下进行工作，从而延长在水中滞留工作的时间。

AUV是在水下工作，不同于陆上系统，陆上节点的速度和航向基本不受风力等外力干扰或者干扰甚微，可以忽略不计，水中航行的AUV受水流影响非常大。这会进一步加剧仪器产生误差的概率或者范围。有时即使AUV本身保持静止，水流也会慢慢将其推离原有位置。因此，完全依靠AUV自身携带的导航仪器在水下航行会慢慢失去精确定位，从而失去应用价值。但水流也不是完全没有规律的，在一定程度上具有连贯性，即是渐变的。所以在某种程度上我们可以依据前一段航行过程中水流对AUV定位精度的影响程度推断下一个阶段的影响程度。

每个AUV在水下航行期间，由于无法预知追踪仪器和水流对误差造成的实时影响，所以我们无法预知AUV在水下航行时追踪坐标的准确性，但实用中又需要了解在仪器和水流共同影响下的坐标准确性量化指标。为此，我们把坐标精确度依据精确度指标进行标注，称之为λ。刚刚获取GPS信号的AUV，具有最高定位精度，而在水下航行的AUV，由于其只能依靠所携带的仪器导航，并且由于累积误差和水流等因素的干扰，其精度会慢慢降低，这个降低的过程受仪器误差和水流的双重影响。设计

λ = (1 - \frac{t_{n} - t_{lu}}{N * t_{ui}}) * (1 - \frac{d_{(u, t)}}{d_{(u, lu)} + d_{(u, t)}})

来体现这两者对精度的影响。其中t_n是当前时间，t_lu是此AUV上次坐标更新的时间，N是正整数，t_ut是AUV坐标更新的时间间隔，d_(u，t)是AUV进行坐标更新时，更正后的坐标与仪器追踪所得坐标之间的距离差，初始值为0，d_(u，lu)是最新的两次坐标更新之间航行过的距离，这个值可以通过最近的两次更新时的坐标计算得出。为了防止出现除以0的情况，规定当d_(u，t)＝0时d_(u，lu)＝1(当AUV刚入水、或者AUV在某个位置保持不动时会出现d_(u，t)＝0的情况)，当d_(u，t)≠0时d_(u，lu)取实测值。定位精度λ的第一括号内部分是迫使AUV的定位精度随着其在水下航行时间的延长而下降，代表依靠仪器导航的定位精度会越来越低。第二括号内部分是考虑仪器误差和水流导致的误差对精度的综合影响(因为在AUV航行过程中产生的误差，很难判断出是仪器造成的还是水流造成的，所以把两种误差影响放在一起综合考虑)。综合误差相对于航行距离的比值越大，则迫使定位精度λ下降越快。由于第二部分取决于综合误差和之前航行距离的比值，属于后验值，因此其实质是依靠之前已知的综合误差影响推断当前的综合误差范围，这也是基于水流变化的渐变性。由于各AUV所携带仪器的精度不同、航行所在的水流不同、受水流影响造成的综合误差不同，因此一群协同工作的AUV其定位精度λ会各不相同。如果把定位精度看成温度的话，则定位精度越高的AUV其“温度”越高，那么我们的目标就是让高温的节点对低温的节点进行加热，只要某个节点能从周围的邻居那里获得足够的“热量”，能维持在设定“温度”以上，那么该节点就不用上浮到水面上通过GPS“加到最热”。

基于以上原理，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步骤：

一、为每个AUV设定目标位置，然后让AUV自主前往目标位置工作，当AUV入水前，由于可以得到精确的GPS定位信号，所以设定刚入水时各个AUV的定位精度λ＝1；

二、AUV下潜后，依靠自身所携带的导航仪器进行定位，并朝向事先设定的目标区域航行；

三、各AUV定期向周围广播其坐标信息以及定位精度λ；同时，当某个AUV收到其他AUV的坐标广播时，会先根据声波传输的速度和到达时间推算出两者之间的距离d，将其坐标、定位精度λ、以及两者之间的距离记录下来，存入邻节点列表中；每个AUV保存的邻节点列表内容都有一定的有效期，超过有效期后如果没有得到更新，则该项内容作废，对应条目被清空；

作为一种改进，用户预先设定一个邻节点距离值，如果d小于用户设定的邻节点距离值，则将其坐标、定位精度λ，以及两者之间的距离记录下来，否则不记录。预先设定邻节点距离值，主要是为了防止距离过大的两个点互相设定为邻节点，因为声波在水中传输的距离越远，其信号越微弱，接收误差越大，同时由于穿越的不同水环境影响造成速度变化越大，由传播速度和TOA推算的d误差越大。

四、各AUV实时计算定位精度

λ = (1 - \frac{t_{n} - t_{lu}}{N * t_{ui}}) * (1 - \frac{d_{(u, t)}}{d_{(u, lu)} + d_{(u, t)}}),

其中t_n是当前时间，t_lu是此AUV上次坐标更新的时间，N为任意正整数，t_ut是AUV坐标更新的时间间隔，d_(u，t)是AUV进行坐标更新时，更正后的坐标和仪器追踪坐标之间的距离差，初始值为0，d_(u，lu)是最新的两次坐标更新之间航行过的距离，为了防止出现除以0的情况，规定当d_(u，t)＝0时d_(u，lu)＝1，当d_(u，t)≠0时d_(u，lu)取实测值；每当AUV的定位精度λ低于限定值，或者至少三个邻节点的定位精度高于自身，此AUV就会进行坐标更新，坐标更新分三种情况：

1)自身定位精度值λ低于设定限值：

如果某个AUV判断自己的定位精度λ低于设定值时，首先去查找自己的邻节点列表，并选出λ值最高的三个邻节点坐标信息；如果排第三高的邻节点λ值高于其自身的λ值，则该节点尝试利用定位精度最高的三个邻节点信息对自身坐标及定位精度进行更新，如果获得解则更新自己的坐标值，同时将λ更新为定位精度第三高的邻节点的λ值；如果无解或排第三高的邻节点λ值低于其自身的λ值，则放弃利用邻节点更新，上浮获取GPS坐标校正，每次上浮获取GPS坐标值之后，将自身的λ重新设置为1；

2)自身定位精度值λ不低于设定限值，但邻节点中至少有三个点的定位精度高于其定位精度：

这种情况下，此AUV也尝试利用定位精度最高的三个邻节点信息对自身坐标及定位精度进行更新，如果获得解则更新自己的坐标值，同时将λ更新为定位精度第三高的邻节点的λ值，如果无解则继续自行导航、实时调整定位精度λ；

3)自身定位精度值λ不低于设定限制，而且邻节点中不存在至少三个点的定位精度高于其定位精度：

这种情况下，此AUV继续在水下工作、导航、实时调整定位精度λ。

本发明的有益效果是：

本发明无需采用传统的水面或者水底定位锚标，可以延长AUV在水中滞留工作的时间，并且为全分布式，无中心控制，对于多个及单个AUV都可适用，无数量限制，对网络拓扑结构无限制，可以利用正常通讯信息搭载坐标和定位精度信息，有利于减少通讯量，采用简单的三点或者四点定位法，技术成熟，运算负担轻。

附图说明

图1为高定位精度坐标信息扩散过程示意图，其中：

○表示λ=1的AUV；□表示λ<1且大于限定值的AUV；

表示λ小于限定值的AUV；

表示AUV上浮至水面；

表示AUV坐标更新；

图2为AUV坐标更新及定位精度调整流程图。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的优选实施方式。

本实施例具体实现了本发明所述的一种水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步骤：

一、为每个AUV设定目标区域，然后让AUV自主前往目标位置工作，当AUV入水前，由于可以得到精确的GPS定位信号，所以设定刚入水时各个AUV的定位精度λ＝1；

二、AUV下潜后，依靠自身所携带的导航仪器进行定位，并朝向事先设定的目标区域航行，由于追踪仪器和水流对误差造成的影响，定位精度会慢慢下降。

三、各AUV定期向周围广播其坐标信息以及定位精度λ；同时，当某个AUV收到其他AUV的坐标广播时，会先根据声波传输的速度和到达时间推算出两者之间的距离d，如果d小于设定的邻节点距离值，则将其坐标、精确λ，以及两者之间的距离记录下来，存入邻节点列表中；每个AUV保存的邻节点列表内容都有一定的有效期，超过有效期后如果没有得到更新，则该项内容作废，对应条目被清空；

预先设定邻节点距离值，主要是为了防止距离过大的两个点互相设定为邻节点，因为声波在水中传输的距离越远，其信号越微弱，接收误差越大，同时由于穿越的不同水环境影响造成速度变化越大，由传播速度和TOA推算的d误差越大。

四、各AUV实时计算定位精度

λ = (1 - \frac{t_{n} - t_{lu}}{N * t_{ut}}) * (1 - \frac{d_{(u, t)}}{d_{(u, lu)} + d_{(u, t)}}),

其中t_n是当前时间，t_lu是此AUV上次坐标更新的时间，N是正整数的系数，t_ut是AUV坐标更新的时间间隔，d_(u，t)是AUV进行坐标更新时，更正后的坐标和仪器追踪坐标之间的距离差，初始值为0，d_(u，lu)是最新的两次坐标更新之间航行过的距离，为了防止出现除以0的情况，规定当d_(u，t)＝0时d_(u，lu)＝1，当d_(u，t)≠0时d_(u，lu)取实测值；每当AUV的定位精度λ低于限定值，或者至少三个邻节点的定位精度高于自身，此AUV就会进行坐标更新，坐标更新分三种情况：

1)自身定位精度值λ低于设定限值；

如果某个AUV判断自己的定位精度λ低于设定值时，首先去查找自己的邻节点列表，并选出λ值最高的三个邻节点坐标信息；如果排第三高的邻节点λ值低于其自身的λ值，则放弃利用邻节点更新，上浮获取GPS坐标校正，每次上浮获取GPS坐标值之后，将自身的λ重新设置为1；

如果排第三高的邻节点λ值高于其自身的λ值，则该节点根据定位精度最高的三个邻节点的坐标更新自己的坐标值。

根据三个邻节点的坐标确定自己的坐标值，在最简单的情况下，可以直接使用传统定位坐标求解方程组：

\{\begin{matrix} {(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2} + {(z - z_{2})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2} + {(z - z_{3})}^{2} = {d_{3}}^{2} \end{matrix} - - - (1)

本实施例中采用改进后的“三点坐标定位法”：由于定位所采用的邻节点本身广播的坐标值不一定完全准确(只是定位精度高于本节点而已)，同时根据声波传输所获得的AUV之间的距离也不是完全精确，所以带入传统定位坐标求解方程组时可能会得到唯一一组解，也可能无解，而由于误差的存在，无解的可能性更大。为此，我们设法提高方程组可解的概率，以便待定位AUV提高利用邻节点校正坐标的概率，减少上浮的次数，继续待在水中工作。

下面我们具体说明改进过程：

假设待定位的AUV坐标为(x，y,z)，辅助其定位的三个邻节点的坐标值分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)，待定位AUV到三个邻节点的距离分别为d₁,d₂,d₃，对应的定位精度值为λ,λ₁,λ₂,λ₃,并且有λ₁≥λ₂≥λ₃≥λ，则原有的“三点坐标定位法”所采用的求解方程组为：

\{\begin{matrix} {(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2} + {(z - z_{2})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2} + {(z - z_{3})}^{2} = {d_{3}}^{2} \end{matrix} - - - (1)

其本质是三个圆的唯一交点，也即有唯一的解。但由于参考的邻节点坐标可能存在一定的误差，所以很可能存在无解的情况。对此，我们对式(1)加以改动：

\{\begin{matrix} {(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2} + {(z - z_{2})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {{d_{3}}^{2} * λ}_{3} \leq {(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2} + {(z - z_{3})}^{2} \leq {d_{3}}^{2} * (2 - λ_{3}) \end{matrix} - - - (2)

(2)可能有唯一的解，但也可能解不唯一，或者无解；存在唯一解时，用此解更新待定位的AUV坐标；解不唯一时,则选取

\min {| (({(x - x_{3})}^{2}) + (y - {y_{3}}^{2}) + {(z - z_{3})}^{2} - d_{3}^{2})}

作为解，用来更新待定位的AUV坐标，更新后将该AUV的定位精度λ设定为精度第三高的邻节点的λ₃值；如果没有解，则放弃“三点坐标定位法”的求解，采用上浮获取GPS的方法校正坐标，这种情况下修正λ＝1；

改进的“三点坐标定位法”其本质是利用了原有“三点坐标定位法”中的一种无解的情况，即当三个圆有交点，但不交于一点时，选取其中一个与(x₃,y₃,z₃)之间的距离更接近d₃交点坐标对(x,y,z)进行校正。

这种情况下，此AUV也尝试利用邻节点信息对自身坐标及定位精度进行更新，如果获得解则进行坐标和定位精度更新，如果无解则继续自行导航、调整定位精度λ；

这种情况下，此AUV继续在水下工作、导航、调整定位精度λ。

Claims

1.一种水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步骤：

四、各AUV实时计算定位精度

λ = (1 - \frac{t_{n} - t_{lu}}{N * t_{ut}}) * (1 - \frac{d_{(u, t)}}{d_{(u, lu)} + d_{(u, t)}}),

1)自身定位精度值λ低于设定限值：

2.根据权利要求1所述的一种水下自主航行器AUV自主定位方法，其特征在于，在步骤三中，用户预先设定一个邻节点距离值，如果d小于用户设定的邻节点距离值，则将其坐标、定位精度λ，以及两者之间的距离记录下来，否则不记录。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下自主航行器AUV自主定位方法，其特征在于，根据定位精度最高的三个邻节点的坐标更新自己的坐标值时，采用改进的“三点坐标定位法”：假设待定位的AUV坐标为(x,y,z)，辅助其定位的三个邻节点的坐标值分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)，待定位AUV到三个邻节点的距离分别为d₁,d₂,d₃，对应的定位精度值为λ,λ₁,λ₂,λ₃,并且有λ₁≥λ₂≥λ₃≥λ，则求解方程组

\{\begin{matrix} {(x - x_{1})}^{2} + {(y - y_{1})}^{2} + {(z - z_{1})}^{2} = {d_{1}}^{2} \\ {(x - x_{2})}^{2} + {(y - y_{2})}^{2} + {(z - z_{2})}^{2} = {d_{2}}^{2} \\ {{d_{3}}^{2} * λ}_{3} \leq {(x - x_{3})}^{2} + {(y - y_{3})}^{2} + {(z - z_{3})}^{2} \leq {d_{3}}^{2} * (2 - λ_{3}) \end{matrix}

方程组存在唯一解时，用此解更新待定位的AUV坐标；解不唯一时，则选取

即使

最小的(x,y,z)坐标作为解，用来更新待定位的AUV坐标，从而增加获得解的几率。