CN105319534B - 一种基于水声双程测距的多auv协同定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水声双程测距的多AUV协同定位方法。对各AUV系统进行时间同步设定；对各个AUV进行优先级确定，并根据优先级大小设定相应的测距响应延迟时间；未接收到主AUV水声信息时，从AUV按照自身传感器量测信息进行航位推算；从AUV接收主AUV水声信息，解码出主AUV的位置信息、速度信息以及信息发送时刻的时间信息后，对主AUV进行水声测距；当从AUV测得主从AUV间距离信息后，记录当前时刻t(n)，推算出当前时刻主AUV位置信息xc(n)；根据主从AUV间距离信息，以及主AUV位置信息xc(n)进行协同定位，通过信息融合技术对自身航位推算误差进行校正。本发明具有实现简单、定位精度高、能量消耗少的优点。

Description

一种基于水声双程测距的多AUV协同定位方法
技术领域
本发明属于AUV定位领域，尤其涉及针对水下多AUV长时间协同工作的，一种基于水声双程测距的多AUV协同定位方法。
背景技术
高精度的水下导航是AUV完成任务的关键，由于水介质的特殊性，水下AUV无法有效获得GPS导航信息，因此水下导航技术一直以来都是AUV领域研究的重点。惯性导航系统(INS)以其独立自主的工作特性、导航信息全面的优点成为水下AUV必不可少的导航设备，在水下导航领域发挥着举足轻重的作用。然而，由于陀螺敏感器件误差漂移的影响，造成INS的误差具有随时间累积的特点，这直接影响到了水下AUV长时间工作的导航需求。此外，高精度惯性导航系统价格昂贵、体积大、能耗多，极大限制了AUV的广泛应用。目前普遍采用的导航方案是利用低精度的惯导系统或者姿态敏感系统辅以多普勒计程仪(DVL)构成航位推算系统进行导航。由于姿态偏差以及器件一体化安装偏差的影响，航位推算误差与航行距离成正比，为了抑制导航误差的不断积累，需要不定时利用绝对位置信息进行校正。考虑到AUV在执行任务过程中，不断地浮出水面接收GPS信号往往是不现实的。
随着水声通信技术的发展，基于基线定位原理，将水声通信设备安装在AUV上，各个AUV利用水声通信网络实现信息共享，精度低的AUV通过精度高的AUV进行距离测量，进而利用信息融合技术实现位置误差的校正。AUV间距离信息的精确测量是保证协同定位精度的关键，目前常用的基于水声测距技术主要有两种，单程测距技术与双程测距技术。单程测距效率高，一次广播发送即可以实现一对多的水声测距，因此特别适合于多AUV的协同定位。但是，由于单程测距需要保证AUV间高精度的时钟同步，因此，每一个AUV上均需要安装高精度的同步时钟，增加了系统的复杂度和实现成本。目前普遍采用的仍然是双程测距技术，双程测距利用水声往返传播时间计算水听器间相对距离，不需要时钟同步，实现简单。由于双程测距一次通信只能实现一对一的距离量测，因此对于多AUV系统来说，势必造成每一个AUV更新频率降低，水声通信系统能耗需求加大，进而影响AUV系统的协同定位精度与长航时工作的能力。
传统协同定位过程实施流程如下，领航艇对AUV进行水声双程测距，测距成功后领航艇将该水声距离连同自身位置信息发送给相应的AUV，AUV接收到领航艇发送的参考信息后，进行信息融合对航位推算误差进行校正。对于N个不同AUV则需要依次重复上述流程，分别进行协同定位。由于水声通信时间延迟大，完成一个测距+通信过程至少需要10秒钟时间，因此对于多个AUV协同定位系统来说，大大降低了每一个AUV的协同更新频率，影响了协同定位效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现简单、定位精度高的，基于水声双程测距的多AUV协同定位方法。
一种基于水声双程测距的多AUV协同定位方法，包括以下步骤，
步骤一：对各AUV系统进行时间同步设定，在AUV下水前利用GPS进行时间校准，同步精度精确到1秒；
步骤二：对各个AUV进行优先级确定，并根据优先级大小设定相应的测距响应延迟时间0,Δtr,2Δtr,…,(m-1)Δtr，使得AUV在接收到CNA广播信息后能够依次对CNA进行距离信息的测定；
对于有多个CNA情况，同样需要对CNA进行优先级的确定，并根据优先级大小设定相应的参考信息广播时延0,Δtc,2Δtc,…,(n-1)Δtc，使得在接收到协同请求信号后能够依次完成参考信息的广播发送Δtc>nΔtr；
步骤三：未接收到主AUV水声信息时，从AUV按照自身传感器量测信息进行航位推算，对位置状态及相应的协方差矩阵进行时间更新，状态推算方程如下：
式中，xk-1、yk-1、vk-1、θk-1分别为tk-1时刻，从AUV的东北向位置、速度和航向信息；Δt为采样周期；
由式(1)得到系统状态方程
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Γ(uk-1+wk-1) (2)
式中，Xk＝(xk,yk,θk)T表示AUV在tk时刻的状态向量；Φk,k-1为状态转移矩阵；Γ(uk+wk)为非线性项，其中uk-1＝(vk-1,θk-1)T表示控制输入量；wk＝(wvk,wθk)T为系统过程噪声，包括速度量测噪声和方位量测噪声，
协方差矩阵Qk：
其中为速度协方差矩阵，为航向协方差矩阵；
步骤四：从AUV接收到主AUV水声信息，解码出主AUV的位置信息xc(m)＝[xc(m),yc(m),zc(m)]T，速度信息以及信息发送时刻的时间信息t(m)后，按照设定的测距响应延迟时间对主AUV进行水声测距，测得主从AUV间距离信息dA→C(m)；
步骤五：当从AUV成功测得主从AUV间距离信息dA→C(m)后，记录当前时刻t(n)，然后根据主AUV参考信息，将接收到的t(m)时刻主AUV位置信息xc(m)推算至当前时刻主AUV位置信息xc(n)：
其中，Δt＝t(n)-t(m)；
步骤六：从AUV根据主从AUV间距离信息dA→C(m)，以及主AUV位置信息xc(n)进行协同定位，通过信息融合技术对自身航位推算误差进行校正。
本发明一种基于水声双程测距的多AUV协同定位方法，还可以报包括：
通过信息融合技术对自身航位推算误差进行校正后的AUV的状态向量为：
校正后的状态协方差矩阵为：
Pk+1＝(I-Kk+1Hk+1)Pk+1,k
其中，状态Xk的雅可比矩阵为：
有益效果：
本发明的方法具有以下优点：
(1)采用水声双程测距，避免了高精度时钟同步需求，实现简单；
(2)与传统双程测距方案相比，AUV协同更新频率高，定位效果好；
(3)与传统双程测距方案相比，通信次数减少，能量消耗降低，利于AUV长时间工作；
(4)适用于多个AUV协同工作。
为了说明本发明的有益效果，在以下条件下对该方法进行了Matlab仿真实验，如图2-图5所示：
仿真条件：主从AUV运行轨迹如图2所示，运行过程中主AUV航速保持在0.8m/s左右，航向漂移10°/h外加1°随机噪声；参考GPS定位误差1m；DVL测速误差0.1m/s；水声测距误差1m；从AUV航行速度2m/s，仿真时间1小时。一共仿真了5条AUV协同定位，为了进行比较分析，分别按照常规方案和本发明方案进行仿真分析，相应的通信策略如下如图5所示：
常规方案：通信间隔15s，以主AUV1为例，分别对5个从AUV进行水声测距和通信(传递位置+距离信息)，因此，完成一次协同周期为75s。主AUV1对所有AUV完成一次协同校正后，主AUV2重复AUV1过程完成下一个协同周期。
发明方案：主AUV1广播发送状态信息耗时5s，从AUV接收到主AUV1信息后，一次按照延迟时间0s、5s、10s、15s、20s对主AUV进行测距，测距过程分别耗时5s。这样单个主AUV完成一次测距周期耗时5s+20s+5s＝30s。同样，主AUV1完成一次测距周期后，主AUV2重复AUV1过程完成下一个协同周期。
附图说明
图1协同定位示意图；
图2主从AUV运行轨迹；
图3仿真过程中主AUV速度；图3(a)仿真过程中CAN 1速度，图3(b)仿真过程中CAN2速度；
图4仿真过程中主AUV航向；图4(a)仿真过程中主CAN 1航向，图4(b)仿真过程中CAN 2航向；
图5协同定位误差比较表。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
(一)本发明要解决的问题在于：针对现有双程测距技术在AUV协同定位应用中存在的实际问题，本发明提供一种实现简单、定位精度高、能量消耗少、适用于多AUV协同工作的基于水声双程测距网络的协同定位方案，其能够更好地适用于水下多AUV长时间协同工作的任务需求。
(二)技术方案：为解决上述问题，本发明提出一种新的基于水声双程测距的水下多AUV协同定位方案，其流程为：
步骤1：对各AUV系统进行时间同步设定，主要是为了后续算法需要，时间同步精度精确到1s即可；
步骤2：对各个AUV进行优先级确定，并根据优先级大小设定相应的测距响应延迟时间，以便AUV在接收到CNA广播信息后能够依次对CNA进行距离信息的测定；
步骤3：对于有多个CNA情况，同样需要对CNA进行优先级的确定，并根据优先级大小设定相应的参考信息广播时延，以便在接收到协同请求信号后能够依次完成参考信息的广播发送；
步骤4：AUV接收到CNA广播发送的位置、速度参考信息后，根据优先级别大小，按照设定的固定时延对CNA进行测距；
步骤5：利用航位推算，将接收到的CAN位置信息推算至当前时刻，并利用测得的距离信息对AUV的航位推算位置进行信息融合，实现AUV的协同定位。
下面结合附图及实例对本发明做进一步详细说明。如图1和图2所示，本发明的基于水声双程测距的多AUV协同定位方法，其流程为：
(一)初始化过程
步骤1：系统时钟同步设定，不同于水声单程测距的时钟同步，这里只需在AUV下水前利用GPS进行时间校准，同步精度1秒即可；
步骤2：对各个AUV进行优先级确定，并根据优先级大小设定相应的测距响应延迟时间0,Δtr,2Δtr,…,(m-1)Δtr，以便AUV在接收到CNA广播信息后能够依次对CNA进行距离信息的测定；
步骤3：对于有多个CNA情况，同样需要对CNA进行优先级的确定，并根据优先级大小设定相应的参考信息广播时延0,Δtc,2Δtc,…,(n-1)Δtc，以便在接收到协同请求信号后能够依次完成参考信息的广播发送Δtc>nΔtr；
(二)协同定位过程
步骤1：未接收到主AUV水声信息时，从AUV按照自身传感器量测信息进行航位推算，对位置状态及相应的协方差矩阵进行时间更新，状态推算方程如下：
式中，xk-1、yk-1、vk-1、θk-1分别为tk-1时刻，从AUV的东北向位置、速度和航向信息,Δt为采样周期.
由式(3)得到系统状态方程
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Γ(uk-1+wk-1) (4)
式中，Xk＝(xk,yk,θk)T表示AUV在tk时刻的状态向量；Φk,k-1为状态转移矩阵；Γ(uk+wk)为非线性项，其中uk-1＝(vk-1,θk-1)T表示控制输入量；wk＝(wvk,wθk)T为系统过程噪声，包括速度量测噪声和方位量测噪声，协方差矩阵Qk
步骤2：当任一从AUV接收到主AUV水声信息，并成功解码出主AUV的位置信息xc(m)＝[xc(m),yc(m),zc(m)]T，速度信息以及信息发送时刻的时间信息后t(m)，按照设定的固定时延对主AUV进行水声测距；
步骤3：当从AUV成功测得主从AUV间距离信息dA→C(m)后，记录当前时刻t(n)，然后根据主AUV参考信息，将接收到的t(m)时刻主AUV位置信息xc(m)推算至当前时刻xc(n)
式中，Δt＝t(n)-t(m)；
步骤4：从AUV根据距离观测信息，以及主AUV位置预测信息进行协同定位，通过信息融合技术对自身航位推算误差进行校正。由于水声测距得到主从AUV三维空间下的距离z3D,k，已知主从AUV深度信息dC、dA条件下，二维平面下的主从AUV量测距离可以表示为
式中，wzk为水声测距噪声，为相互独立不相关的高斯白噪声，协方差矩阵为
距离量测方程为非线性，其对于状态Xk的雅可比矩阵可以表示为
Pk+1＝(I-Kk+1Hk+1)Pk+1,k (14)。

Claims (1)

1.一种基于水声双程测距的多AUV协同定位方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：对各AUV系统进行时间同步设定，在AUV下水前利用GPS进行时间校准，同步精度精确到1秒；
步骤二：对各个AUV进行优先级确定，并根据优先级大小设定相应的测距响应延迟时间0,Δtr,2Δtr,…,(m-1)Δtr，使得AUV在接收到CNA广播信息后能够依次对CNA进行距离信息的测定；
对于有多个CNA情况，同样需要对CNA进行优先级的确定，并根据优先级大小设定相应的参考信息广播时延0,Δtc,2Δtc,…,(n-1)Δtc，使得在接收到协同请求信号后能够依次完成参考信息的广播发送Δtc>nΔtr；
步骤三：未接收到主AUV水声信息时，从AUV按照自身传感器量测信息进行航位推算，对位置状态及相应的协方差矩阵进行时间更新，状态推算方程如下：
式中，xk-1、yk-1、vk-1、θk-1分别为tk-1时刻，从AUV的东北向位置、速度和航向信息；Δt为采样周期；
由式(1)得到系统状态方程
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Γ(uk-1+wk-1) (2)
式中，Xk＝(xk,yk,θk)T表示AUV在tk时刻的状态向量；Φk,k-1为状态转移矩阵；Γ(uk+wk)为非线性项，其中uk-1＝(vk-1,θk-1)T表示控制输入量；wk＝(wvk,wθk)T为系统过程噪声，包括速度量测噪声和方位量测噪声，
协方差矩阵Qk：
其中为速度协方差矩阵，为航向协方差矩阵；
步骤四：从AUV接收到主AUV水声信息，解码出主AUV的位置信息xc(m)＝[xc(m),yc(m),zc(m)]T，速度信息以及信息发送时刻的时间信息t(m)后，按照设定的测距响应延迟时间对主AUV进行水声测距，测得主从AUV间距离信息dA→C(m)；
步骤五：当从AUV成功测得主从AUV间距离信息dA→C(m)后，记录当前时刻t(n)，然后根据主AUV参考信息，将接收到的t(m)时刻主AUV位置信息xc(m)推算至当前时刻主AUV位置信息xc(n)：
其中，Δt＝t(n)-t(m)；
步骤六：从AUV根据主从AUV间距离信息dA→C(m)，以及主AUV位置信息xc(n)进行协同定位，通过信息融合技术对自身航位推算误差进行校正；
通过信息融合技术对自身航位推算误差进行校正后的AUV的状态向量为：
校正后的状态协方差矩阵为：
Pk+1＝(I-Kk+1Hk+1)Pk+1,k
其中，状态Xk的雅可比矩阵为：
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