CN103047983B - 水下机器人的面地形匹配导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供水下机器人的面地形匹配导航方法，包括如下步骤：启动多波束声纳和深度计采集面地形数据，同时通过声速剖面仪采集的声速数据，修正多波束声纳采集的面地形数据。通过惯性导航装置确定海图的匹配范围，将采集到的面地形与海图进行比较，确定水下机器人所在的精确位置。将计算出的当前导航位置修正信息，反馈给主控计算机，完成导航修正。本发明无需上浮接收GPS信号，无需布设外部声纳基阵，依靠内部传感器即可完成水下精确导航，返回值为导航数据，可以直接运用于水下机器人作业。

Description

水下机器人的面地形匹配导航方法
技术领域
本发明涉及的是一种导航，具体地说是水下导航方法。
背景技术
水下机器人作为海洋工程和机器人学科的交叉领域，得到了世界各国的高度重视。在水下机器人技术的研究中，如何实现长航程高精度的水下导航是水下机器人研究技术的一项重点和难点。
现有水下机器人的水下导航定位方法包括水声学导航、航位推算导航、惯性导航等。水声学导航虽然可以实现水下机器人的长期水下作业，但其需要布置声学基阵，不利于水下机器人的独立作业任务，且导航范围受限。航位推算导航和惯性导航系统短时间定位精度较高，但其误差的定位误差随时间积累，
需要定期上浮接收GPS进行修正，不利于AUV水下长时间作业。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不使用GPS等外部传感器、实现水下长时间精确导航的水下机器人的面地形匹配导航方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明水下机器人的面地形匹配导航方法，其特征是：
（1）开启多波束声纳、声速剖面仪、深度计分别采集测深数据、声速剖面数据和深度数据；
（2）结合声速剖面数据对测深数据进行空间滤波处理，然后融和深度数据，得到用于匹配的面地形数据；
（3）从惯性导航装置接收当前惯性导航，从而推算出的水下机器人大致位置信息；
（4）根据惯性导航装置提供的水下机器人大致位置信息从电子海图中提取可供地形匹配的局部位置的海图数据；
（5）利用极大似然估计公式在步骤4中提取的海图数据中找到最大的似然函数值作为最佳定位点；
（6）针对最佳定位点判断是否存在伪峰值点，若存在，引入费希尔判据去除伪点，得到并输出位置的最佳估计；若不存在，直接输出最佳定位点为位置的最佳估计。
本发明还可以包括：
1、所述的测深数据由声脉冲即ping组成，取4～10个ping。
本发明的优势在于：本发明无需上浮接收GPS信号，无需布设外部声纳基阵，依靠内部传感器即可完成水下精确导航，返回值为导航数据，可以直接运用于水下机器人作业。
附图说明
图1为水下机器人的面地形匹配导航的装置结构示意图；
图2为地形匹配计算机的密封结构示意图；
图3为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～3，水下机器人线地形匹配的装置的组成包括声速剖面仪1、水压深度计2、PC/104计算机3、PC/104总线AD采集卡4、PC/104总线串口板5、惯性导航装置6、主控计算机7、多波束声纳8。同时结合图2，PC/104计算机3、PC/104总线AD采集卡4和PC/104总线串口板5通过总线插接，一起密封于PC/104计算机水密外壳9中，PC/104计算机水密外壳上设置四个水密插头，水密插头10将声速剖面仪1和PC/104总线串口板5相连接，水密插头11将压力深度计2和PC/104总线AD采集卡4相连接，水密插头12引出连线三根，将PC/104计算机3与控制舱主控计算机7通过RS-232串行通信联结，水密插头13将多波束声纳8与PC/104通过网络通信连接。
将PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡和PC/104总线串口板通过总线插接，和惯性导航装置一起密封于PC/104计算机水密外壳中。
将面地形匹配导航系统与主控计算机联接。
面地形匹配导航系统上电，程序自启动。启动3个任务。
任务1：匹配程序初始化，接收初始位置数据，多波束声纳、声速剖面仪和深度计初始化处于待机状态，启动惯性导航装置。
任务2：建立串口数据检测线程，等待主控计算机发送的导航修正命令。
任务3：任务3为主任务，机制为激发响应，主控计算机导航修正命令到达，启动多波束声纳和深度计采集面地形数据，同时通过声速剖面仪采集的声速数据，修正多波束声纳采集的面地形数据。通过惯性导航装置确定海图的匹配范围，利用贝叶斯估计的方法，将采集到的面地形与海图进行比较，确定水下机器人所在的精确位置。将计算出的当前导航位置修正信息，反馈给主控计算机，完成导航修正。
具体的方法流程如下：
1）主控制计算机下达导航修正命令，开启多波束声纳采集测深数据、声速剖面仪数据和深度计数据。其中测深数据由多个声脉冲（ping）组成，考虑计算量的影响，一般取4到10个ping。
2）多波束声纳采集到的测深数据，结合声速剖面仪数据并对测深数据进行空间滤波处理，融和深度计数据，可用于匹配的面地形数据。
3）从惯性导航装置接收当前惯性导航对算出的水下机器人大致位置信息。
4）根据惯性导航装置提供的水下机器人大致位置信息从电子海图中提取可供地形匹配的局部位置的海图数据。
5）利用极大似然估计公式在步骤4中提取的海图数据中找到最大的似然函数值作为最佳定位点。
6）判断是否存在伪峰值点，若存在，引入费希尔判据去除伪点，得到位置的最佳估计；若不存在，直接输出最佳定位点。

Claims (2)

1.水下机器人的面地形匹配导航方法，其特征是：
面地形匹配导航系统包括声速剖面仪(1)、水压深度计(2)、PC/104计算机(3)、PC/104总线AD采集卡(4)、PC/104总线串口板(5)、惯性导航装置(6)、主控计算机(7)和多波束声纳(8)，将PC/104计算机(3)、PC/104总线AD采集卡(4)和PC/104总线串口板(5)通过总线插接，和惯性导航装置(6)一起密封于PC/104计算机水密外壳(9)中，PC/104总线串口板(5)和惯性导航装置(6)连接，PC/104计算机水密外壳(9)上设置四个水密插头，第一水密插头(10)将声速剖面仪(1)和PC/104总线串口板(5)相连接，第二水密插头(11)将水压深度计(2)和PC/104总线AD采集卡(4)相连接，第三水密插头(12)引出连线三根，将PC/104计算机(3)与主控计算机(7)通过RS-232串行通信连结，第四水密插头(13)将多波束声纳(8)与PC/104计算机(3)通过网络通信连接；
面地形匹配导航系统上电，程序自启动，启动3个任务：
任务1：匹配程序初始化，接收初始位置数据，多波束声纳(8)、声速剖面仪(1)和水压深度计(2)初始化处于待机状态，启动惯性导航装置；
任务2：建立串口数据检测线程，等待主控计算机(7)发送的导航修正命令；
任务3：任务3为主任务，机制为激发响应，主控计算机(7)导航修正命令到达，启动多波束声纳(8)和水压深度计(2)采集面地形数据，同时通过声速剖面仪(1)采集的声速数据，修正多波束声纳(8)采集的面地形数据；通过惯性导航装置(6)确定海图的匹配范围，利用贝叶斯估计的方法，将采集到的面地形与海图进行比较，确定水下机器人所在的精确位置，将计算出的当前导航位置修正信息，反馈给主控计算机(7)，完成导航修正；
该导航方法具体步骤如下：
(1)开启多波束声纳(8)、声速剖面仪(1)、水压深度计(2)分别采集测深数据、声速剖面数据和深度数据；
(2)结合声速剖面数据对测深数据进行空间滤波处理，然后融和深度数据，得到用于匹配的面地形数据；
(3)从惯性导航装置(6)接收当前惯性导航，从而推算出的水下机器人大致位置信息；
(4)根据惯性导航装置(6)提供的水下机器人大致位置信息从电子海图中提取可供地形匹配的局部位置的海图数据；
(5)利用极大似然估计公式在步骤(4)中提取的海图数据中找到最大的似然函数值作为最佳定位点；
(6)针对最佳定位点判断是否存在伪峰值点，若存在，引入费希尔判据去除伪点，得到并输出位置的最佳估计；若不存在，直接输出最佳定位点为位置的最佳估计。
2.根据权利要求1所述的水下机器人的面地形匹配导航方法，其特征是：所述的测深数据由声脉冲即ping组成，取4～10个ping。
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