CN107765032A - 多普勒测速仪速度修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多普勒测速仪速度修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法，属于水下无人自主航行器导航技术领域，其中多普勒测速仪速度修正方法包括：获取多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度；根据前向速度和侧向速度计算多普勒测速仪安装误差角和速度系数；结合多普勒测速仪安装误差角和速度系数对多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度进行修正计算，获得修正后的前向速度和侧向速度。本发明具有成本低、易操作、适用范围广的优点，提高了导航误差修正结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及水下无人自主航行器导航技术领域，具体涉及一种多普勒测速仪速度修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法。
背景技术
AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器) 是一种可以自主地完成水下探测、攻击、运载、打捞等多种特定作业任务的水下航器，要求其在水下具有长期自主的定位导航和返航能力，并具有隐蔽性。为了保证其顺利解决水下作业，对AUV提出了更高的导航精度要求。水下无人自主航行器导航误差大小直接影响其导航精度，以往以航位推算为导航算法的水下无人自主航行器主要通过单方面更换更高精度的磁罗盘和速度传感器；或者单方面更换复杂的导航滤波算法、改进导航计算模型，或者单方面对磁罗盘航向信息进行滤波来完成导航误差修正。
随着水下无人自主航行器的发展，更换更高精度的姿态及速度传感器的方法难以满足人们对成本控制的要求；更换复杂的导航滤波算法很难有效的提高导航精度，在可靠性及适用性大打折扣；单方面对磁罗盘航向信息进行滤波不能从根本上解决航向信息失真的问题。
因此导航误差修正需要从传感器信息根源着手，形成一套完整的修正方法，同时应考虑修正方法的可靠性、易用性及修正效果，才能最终达到有效提高导航精度的目的。
发明内容
因此，为了克服现有技术中的上述缺陷，从而提供一种多普勒测速仪速度修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法。
为此，本发明实施例的一种多普勒测速仪速度修正方法，包括以下步骤：
获取多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度；
根据所述前向速度和侧向速度计算多普勒测速仪安装误差角和速度系数；
结合所述多普勒测速仪安装误差角和速度系数对多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度进行修正计算，获得修正后的前向速度和侧向速度。
优选地，所述多普勒测速仪安装误差角和速度系数的计算公式为：
其中，k为速度系数，δ为安装误差角，
ΔJ、ΔW分别为当前时刻与上一时刻经纬度差值，θ为当前时刻航向， Vx'、Vz'分别为多普勒测速仪输出的前向速度与侧向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
优选地，所述对多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度进行修正计算的公式为：
其中，Vx、Vz分别为修正后的前向速度和侧向速度，Vx'、Vz'分别为多普勒测速仪输出的前向速度与侧向速度。
优选地，还包括以下步骤：
对修正后的前向速度和侧向速度进行滤波平滑处理，获得滤波平滑处理后的前向速度和侧向速度。
优选地，所述滤波平滑处理的计算公式为：
其中，Vx(i+1)、Vz(i+1)分别为下一时刻的前向速度和侧向速度，Vxi、Vzi、 Vxi+1、Vzi+1分别为当前时刻修正后的前向速度和侧向速度、下一时刻修正后的前向速度和侧向速度；α、β为速度信息滤波系数，α+β＝1。
本发明实施例的一种水下自主航行器导航误差修正方法，包括以下步骤：
采用上述的多普勒测速仪速度修正方法，获得修正后的前向速度与侧向速度；
将所述修正后的前向速度与侧向速度引入航位推算，获得经纬度值。
优选地，所述航位推算的计算公式为：
其中，
Jn、Wn分别为当前时刻的经纬度值，J0、W0为初始点的经纬度值，θ为航向，Vx、Vz分别为修正后的前向速度与侧向速度，VE、VN分别为水下无人自主航行器的在地球坐标系中的东向速度和北向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
本发明实施例的一种水下自主航行器导航误差修正方法，包括以下步骤：
获取磁罗盘提供的航向；
根据所述磁罗盘提供的航向计算出误差；
将所述误差反馈给所述磁罗盘提供的航向，对磁罗盘提供的航向进行修正，获得修正后的航向；
采用上述的多普勒测速仪速度修正方法，获得修正后的前向速度与侧向速度；
将所述修正后的航向和修正后的前向速度与侧向速度引入航位推算，获得经纬度值。
优选地，所述航位推算的计算公式为：
其中，
Jn、Wn分别为当前时刻的经纬度值，J0、W0为初始点的经纬度值，θ为修正后的航向，Vx、Vz分别为修正后的前向速度与侧向速度，VE、 VN分别为水下无人自主航行器的在地球坐标系中的东向速度和北向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
本发明实施例的技术方案，具有如下优点：
1.提高导航误差修正结果的可靠性。在导航算法输入传感器信息之前，先通过对DVL(多普勒测速仪)进行安装误差角修正及速度系数辨识，对速度信息修正后再进行平滑滤波处理，然后再输出给导航算法；对导航算法的信息来源到信息输出逐步进行修正，保证了导航算法输入的可靠性，从根源上逐步减小导航误差。
2.传感器信息滤波算法结构更简单、易实现、实用性强。在保证滤波效果的基础上，采用αβ滤波对传感器输出信息进行输出滤波平滑，与目前现有技术中采用的五点二次方法、卡尔曼滤波算法、53H算法、基于数据变化率的平滑算法等算法，αβ滤波结构更简单、参数调节更易操作、工程应用更广的优点。
3.成本低、易操作、适用范围广。通过修正导航误差的算法提高导航精度，没有增加硬件成本，间接降低了提高导航精度的成本。整套方法简便易操作，适用于不同型号的磁罗盘。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中全域磁罗盘航向误差修正方法的一个具体示例的流程图；
图2为DVL速度系数辨识结果图；
图3为DVL安装误差角辨识结果图；
图4为对DVL速度进行修正前后推算位置与GPS位置对比图；
图5为未对航向信息做任何处理的推算位置与GPS位置对比图；
图6为对航向信息采用αβ滤波平滑前后航向信息对比图；
图7为对磁罗盘进行磁场补偿、安装误差角及磁偏角修正后推算位置与GPS位置对比图；
图8为采用本发明实施例3中水下自主航行器导航误差修正方法的推算位置与GPS位置对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种多普勒测速仪速度修正方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、获取多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度；
S2、根据前向速度和侧向速度计算多普勒测速仪安装误差角和速度系数；
S3、结合多普勒测速仪安装误差角和速度系数对多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度进行修正计算，获得修正后的前向速度和侧向速度。
上述多普勒测速仪速度修正方法，在导航算法输入传感器信息之前，先通过对DVL(多普勒测速仪)进行安装误差角修正及速度系数辨识，对速度信息修正后再进行平滑滤波处理，然后再输出给导航算法；对导航算法的信息来源到信息输出逐步进行修正，保证了导航算法输入的可靠性，从根源上逐步减小导航误差。
优选地，步骤S2中，通过最小二乘法辨识DVL速度系数及安装误差角。
通过试验获取一组安装有DVL的水下无人自主航行器试验数据，数据包含前向速度及侧向速度的速度信息。按照下式计算多普勒测速仪安装误差角和速度系数：
其中，k为速度系数，δ为安装误差角，
ΔJ、ΔW分别为当前时刻与上一时刻经纬度差值，θ为当前时刻航向， Vx'、Vz'分别为多普勒测速仪输出的前向速度与侧向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
根据上述公式及试验数据可到一组安装误差角及速度系数数据，从时间序列上看，安装误差角及速度系数辨识需要一段时间进入稳定期，这两个参数取参数辨识稳定后的均值。
优选地，步骤S3中，对多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度进行修正计算的公式为：
其中，Vx、Vz分别为修正后的前向速度和侧向速度，Vx'、Vz'分别为多普勒测速仪输出的前向速度与侧向速度。
优选地，多普勒测速仪速度修正方法还包括以下步骤：
S4、对修正后的前向速度和侧向速度进行滤波平滑处理，获得滤波平滑处理后的前向速度和侧向速度。
优选地，步骤S4中，滤波平滑处理的计算公式为：
其中，Vx(i+1)、Vz(i+1)分别为下一时刻的前向速度和侧向速度，Vxi、Vzi、 Vxi+1、Vzi+1分别为当前时刻修正后的前向速度和侧向速度、下一时刻修正后的前向速度和侧向速度；α、β为速度信息滤波系数，α+β＝1。
上述多普勒测速仪速度修正方法，在保证滤波效果的基础上，采用αβ滤波对传感器输出信息进行输出滤波平滑，与目前现有技术中采用的五点二次方法、卡尔曼滤波算法、53H算法、基于数据变化率的平滑算法等算法，αβ滤波结构更简单、参数调节更易操作、工程应用更广的优点。
实施例2
本施例提供一种水下自主航行器导航误差修正方法，在水下无人自主航行器将航向信息引入航位推算算法之前，先通过最小二乘法计算 DVL安装误差角速度系数，然后将这两组参数反馈给输出的速度信息进行修正，最后将修正的速度信息经过αβ滤波平滑之后引入航位推算，具体包括以下步骤：
S2-1、采用实施例1的多普勒测速仪速度修正方法，获得修正后的前向速度与侧向速度(若有滤波平滑处理，则为滤波平滑处理后的前向速度与侧向速度)；
S2-2、将修正后的前向速度与侧向速度引入航位推算，获得经纬度值。其中，所涉及的水下无人自主航行器航向角方向定义北偏西为正，范围0°～360°。
优选地，步骤S2-2中，经纬度值(航位推算)的计算公式为：
其中，
Jn、Wn分别为当前时刻的经纬度值，J0、W0为初始点的经纬度值，θ为航向，Vx、Vz分别为修正后的前向速度与侧向速度，VE、VN分别为水下无人自主航行器的在地球坐标系中的东向速度和北向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
上述水下自主航行器导航误差修正方法，在导航算法输入传感器信息之前，先对DVL输出的前向速度与侧向速度进行修正，再对前向速度与侧向速度信息进行输出平滑滤波处理之后才输出给导航算法；对导航算法的信息来源到信息输出逐步进行修正，保证了导航算法输入的可靠性，从根源上逐步减小导航误差。通过修正导航误差的算法提高导航精度，没有增加硬件成本，间接降低了提高导航精度的成本。整套方法简便易操作，适用于不同型号的磁罗盘。
图2、图3分别为水下无人自主航行器携带DVL后对DVL速度系数及安装误差角辨识，经计算，DVL速度系数和安装误差角辨识稳定后，速度系数均值为1.12，安装误差角均值0.48度。图4为对DVL进行安装误差角补偿及速度系数辨识前后实际的位置信息对比。速度修正前导航精度为航程的4.18％，速度修正后导航精度为航程的3.22％，由此可知对DVL采用最小二乘法进行安装误差角补偿及速度系数修正可有效提高水下无人自主航行器的导航精度。
实施例3
本施例提供一种水下自主航行器导航误差修正方法，在水下无人自主航行器将航向信息引入航位推算算法之前，先对磁罗盘进行磁场补偿、磁偏角修正及安装误差角修正，再将修正的航向信息经过αβ滤波平滑后之后引入航位推算；同时通过最小二乘法计算DVL安装误差角速度系数，然后将这两组参数反馈给输出的速度信息进行修正，最后将修正的速度信息经过αβ滤波平滑之后引入航位推算，具体包括以下步骤：
S3-1、获取磁罗盘提供的航向；
S3-2、根据磁罗盘提供的航向计算出误差；
S3-3、将误差反馈给磁罗盘提供的航向，对磁罗盘提供的航向进行修正，获得修正后的航向；
S3-4、采用实施例1的多普勒测速仪速度修正方法，获得修正后的前向速度与侧向速度(若有滤波平滑处理，则为滤波平滑处理后的前向速度与侧向速度)；
S3-5、将修正后的前向速度与侧向速度引入航位推算，获得经纬度值。其中，所涉及的水下无人自主航行器航向角方向定义北偏西为正，范围0°～360°。
优选地，步骤S3-2中，当前时刻的磁罗盘误差的计算公式为：
Δθe(k)＝A+B sinθe(k)+C cosθe(k)+D sin2θe(k)+E cos2θe(k)
其中，Δθe(k)为当前时刻的磁罗盘误差，A为软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差，θe(k)为磁罗盘提供的当前时刻的航向，B、C、 D和E为补偿系数。
计算A、B、C、D和E的步骤包括：
将磁罗盘固定在水下无人自主航行器上，在水平方向上匀速转动航行器，取45°角等间隔的八个试验点进行误差测试，获取八组试验数据；
根据最小二乘法求取补偿系数A、B、C、D和E。
优选地，步骤S3-3中，对磁罗盘航向进行修正计算的公式为：
θe(k)修正＝θe(k)-Δθe(k)-Δr
其中，θe(k)修正为修正后的当前时刻的航向，θe(k)为磁罗盘提供的当前时刻的航向，Δθe(k)为当前时刻的磁罗盘误差，Δr为磁偏角。
获取水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角的步骤包括：
根据全球坐标经纬度及磁偏角变化的规律，以经纬度为预设角度值 (如1°-3°，优选2°)的S×S方格编制数据单元表，根据方格中央位置上的磁偏角基值、磁偏角在方格内经度方向上及纬度方向上的变化率及磁偏角的月变化率确定数据单元表的内容，根据水下无人自主航行器工作区域的经纬度及日期查数据单元表获取磁偏角，其中S为自然数，例如S＝2。
优选地，步骤S3-3之后，步骤S3-4之前，还包括以下步骤：
对修正后的当前时刻的航向进行滤波平滑，获得滤波平滑后的下一时刻的航向。
滤波平滑的计算公式为：
θe(k+1)滤波＝αθe(k)修正+βθe(k+1修正
其中，θe(k+1)滤波为滤波平滑后的下一时刻的航向，θe(k)修正为修正后的当前时刻的航向，θe(k+1)修正为修正后的下一时刻的航向，α和β为滤波系数，α+β＝1。
在保证滤波效果的基础上，采用αβ滤波对传感器输出信息进行输出滤波平滑，与目前现有技术中采用的五点二次方法、卡尔曼滤波算法、53H算法、基于数据变化率的平滑算法等算法，αβ滤波结构更简单、参数调节更易操作、工程应用更广的优点。
优选地，步骤S3-4中，经纬度值(航位推算)的计算公式为：
其中，
Jn、Wn分别为当前时刻的经纬度值，J0、W0为初始点的经纬度值，θ为修正后的航向，即θe(k)修正或θe(k)滤波，Vx、Vz分别为修正后的前向速度与侧向速度，VE、VN分别为水下无人自主航行器的在地球坐标系中的东向速度和北向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
上述水下自主航行器导航误差修正方法，在导航算法输入传感器信息之前，先对磁罗盘进行磁场补偿、磁偏角修正及安装误差角修正，再将修正的航向信息经过αβ滤波平滑后之后引入航位推算；同时对 DVL输出的前向速度与侧向速度进行修正，再对前向速度与侧向速度信息进行输出平滑滤波处理之后才输出给导航算法；对导航算法的信息来源到信息输出逐步进行修正，保证了导航算法输入的可靠性，从根源上逐步减小导航误差。通过修正导航误差的算法提高导航精度，没有增加硬件成本，间接降低了提高导航精度的成本。整套方法简便易操作，适用于不同型号的磁罗盘。
图5、图7、图8是以GPS速度为前向速度的航位推算位置与 GPS位置信息对比数据回放，A为GPS位置，B为磁罗盘航位推算位置。图5磁罗盘航向信息为原始数据，导航精度为航程的6.89％；图7对磁罗盘航向信息进行了磁场补偿、安装误差角(1.8°)及磁偏角(-2.9°) 修正，导航精度为航程的3.57％；图8除了对磁罗盘航向信息进行磁场补偿、安装误差角及磁偏角修正外，还做了αβ(α＝0.9)滤波平滑处理，导航精度为航程的2.33％。由此可知对磁罗盘航向信息进行磁场补偿、安装误差角及磁偏角修正并进行αβ滤波平滑处理后可获取更高的导航精度。图6为αβ滤波平滑前后航向信息对比，可见平滑后航向角输出稳定、毛刺小、无野值。
综上所述，从水下无人自主航行器导航策略的信息来源到信息输出逐步进行修正，从根源上逐步减小导航误差，提高了导航误差修正结果的可靠性，其次采用的αβ滤波在航向信息平滑方面具有算法结构简便、实用性强、适用的磁罗盘种类多、滤波效果好等特点，进一步提高了导航误差修正方法的易用性与修正效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种多普勒测速仪速度修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度；
根据所述前向速度和侧向速度计算多普勒测速仪安装误差角和速度系数；
结合所述多普勒测速仪安装误差角和速度系数对多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度进行修正计算，获得修正后的前向速度和侧向速度。
2.根据权利要求1所述的多普勒测速仪速度修正方法，其特征在于，所述多普勒测速仪安装误差角和速度系数的计算公式为：
其中，k为速度系数，δ为安装误差角，
ΔJ、ΔW分别为当前时刻与上一时刻经纬度差值，θ为当前时刻航向，Vx'、Vz'分别为多普勒测速仪输出的前向速度与侧向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
3.根据权利要求1或2所述的多普勒测速仪速度修正方法，其特征在于，所述对多普勒测速仪输出的前向速度和侧向速度进行修正计算的公式为：
其中，Vx、Vz分别为修正后的前向速度和侧向速度，Vx'、Vz'分别为多普勒测速仪输出的前向速度与侧向速度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多普勒测速仪速度修正方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对修正后的前向速度和侧向速度进行滤波平滑处理，获得滤波平滑处理后的前向速度和侧向速度。
5.根据权利要求4所述的多普勒测速仪速度修正方法，其特征在于，所述滤波平滑处理的计算公式为：
其中，Vx(i+1)、Vz(i+1)分别为下一时刻的前向速度和侧向速度，Vxi、Vzi、Vxi+1、Vzi+1分别为当前时刻修正后的前向速度和侧向速度、下一时刻修正后的前向速度和侧向速度；α、β为速度信息滤波系数，α+β＝1。
6.一种水下自主航行器导航误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用如权利要求1-5任一项所述的多普勒测速仪速度修正方法，获得修正后的前向速度与侧向速度；
将所述修正后的前向速度与侧向速度引入航位推算，获得经纬度值。
7.根据权利要求6所述的水下自主航行器导航误差修正方法，其特征在于，所述航位推算的计算公式为：
其中，
Jn、Wn分别为当前时刻的经纬度值，J0、W0为初始点的经纬度值，θ为航向，Vx、Vz分别为修正后的前向速度与侧向速度，VE、VN分别为水下无人自主航行器的在地球坐标系中的东向速度和北向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
8.一种水下自主航行器导航误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取磁罗盘提供的航向；
根据所述磁罗盘提供的航向计算出误差；
将所述误差反馈给所述磁罗盘提供的航向，对磁罗盘提供的航向进行修正，获得修正后的航向；
采用如权利要求1-5任一项所述的多普勒测速仪速度修正方法，获得修正后的前向速度与侧向速度；
将所述修正后的航向和修正后的前向速度与侧向速度引入航位推算，获得经纬度值。
9.根据权利要求8所述的水下自主航行器导航误差修正方法，其特征在于，所述航位推算的计算公式为：
其中，
Jn、Wn分别为当前时刻的经纬度值，J0、W0为初始点的经纬度值，θ为修正后的航向，Vx、Vz分别为修正后的前向速度与侧向速度，VE、VN分别为水下无人自主航行器的在地球坐标系中的东向速度和北向速度，Δt为航位推算的单位周期，ρ1、ρ2分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
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