CN108151733B - 面向auv入坞的ins/usbl组合导航定位方法 - Google Patents

面向auv入坞的ins/usbl组合导航定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，包括以下步骤：将USBL收发器和INS置于AUV载体中，将应答器置于入坞口处；通过在距入坞口一定距离处设置两个定点，使AUV在这两点进行悬停，悬停点经纬度由INS获取，AUV与应答器基阵距离值由USBL获取；根据AUV位置和AUV收发器与应答器间距离得到入坞口的位置；根据出入坞口的位置规划路径，实现AUV对入坞口的导航定位。本发明采用的面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，可实现AUV对入坞口的精确定位和实时的入坞路径规划，其成本低，工程应用性强，可为自治水下机器人进行自主入坞和水下对接提供技术保证。

Description

面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法
技术领域
本发明涉及一种面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，具体地说是通过INS获取的AUV当前位置信息和USBL获取的AUV当前位置与入坞口应答器距离信息进行整合，得出入坞口的精确位置，并进行路径规划；主控计算机通过采用AUV精确路径跟随控制方法，使AUV可以准确的沿着规划的入坞路径航行，以实现AUV的自主入坞。
背景技术
自主入坞技术要求AUV在距入坞口较近距离时具有对入坞口实时准确的定位能力。但入坞口在水下非固定放置时，易受水流影响，其位置会出现移动，其精确的位置信息是未知的。鉴于此，需采用一种精确的导航定位方法，以获取入坞口的精确值，从而进行AUV的入坞导航。目前的导航系统并没有完整的工程可应用型产品，均需多个设备配套使用，使得系统较复杂，成本高，集成度低，且原理复杂，通用性较差，不利于市场的推广。
发明内容
为了克服AUV自主入坞时导航定位精度的不高和商业性产品难以应用到AUV导航工程上的问题，本发明提供了一种以AUV自主入坞为目的的INS/USBL组合导航定位方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
将USBL收发器和INS置于AUV载体中，将应答器置于入坞口处；通过在距入坞口一定距离处设置两个定点，使AUV在这两点进行悬停，悬停点经纬度由INS获取，AUV与应答器基阵距离值由USBL获取；根据AUV位置和AUV收发器与应答器间距离得到入坞口的位置；根据出入坞口的位置规划路径，实现AUV对入坞口的导航定位。本发明采用的面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，可实现AUV对入坞口的精确定位和实时的入坞路径规划，其成本低，工程应用性强，可为自治水下机器人进行自主入坞和水下对接提供技术保证。
面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，包括以下步骤：
将USBL收发器和INS置于AUV载体中，将应答器置于入坞口处；
通过在距入坞口设定距离内设置两个定点，使AUV在这两点进行悬停，悬停点经纬度由INS获取，AUV与应答器的距离由USBL获取；
根据AUV悬停点位置、AUV与应答器的距离得到入坞口的位置；
根据入坞口的位置规划路径，实现AUV对入坞口的导航定位。
所述USBL收发器置于AUV艏部段；应答器为两个，分别设于入坞口两侧；INS置于AUV载体重心处，使其获取的数据为AUV载体重心的经纬度。
所述设定距离为航行体悬停位置与应答器距离大于50m且小于200m。
所述根据出入坞口的位置规划路径，实现AUV对入坞口的导航定位包括以下步骤：
首先将INS采集的AUV当前经纬度数据转化为USBL收发器当前位置P和P’，而后与USBL收发器采集的距离数据进行整合，解算出入坞目标点位置：
1)首先计算出应答器A的经纬度(X1，Y1)：
Figure BDA0001170522800000021
2)采用同样方法计算B点经纬度(X2，Y2)，公式如下：
Figure BDA0001170522800000022
公式(1)、(2)中，a，b为收发器在P点经纬度，a为经度值，b为纬度值，a’，b’分别为收发器在P’点经、纬度；la、lb分别为收发器在P点与应答器A、B的距离值，la’、lb’分别为收发器在P’点与应答器A、B的距离值。A、B为布放在入坞口的应答器。
3)计算应答器A与应答器B位置连线的中点经纬度，即为入坞口的经纬度(X，Y)：
Figure BDA0001170522800000031
所述根据入坞口的位置规划路径具体为：解算出入坞口位置后，在入坞口位置处做中垂线，将其作为目标航线，用于进行AUV的导航控制。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用的一种面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，可实现AUV对入坞口的精确定位和实时的入坞路径规划，其成本低，工程应用性强，可为自治水下机器人进行自主入坞和水下对接提供技术保证。
2.本发明只需获取AUV当前位置和与入坞口应答器基阵距离值，便可解算出未知的入坞目标点位置，对目标点有较高的定位精确，保证了AUV准确向目标点航行的导航效果。
3.本发明采用的导航方法原理简单，对设备要求低，便于操作，成本低，具有较强的实用性和通用性。
附图说明
图1是本发明采用的组合导航系统布放示意图；
图2是本发明的INS/USBL组合导航定位示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明涉及一种面向AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自治水下机器人)入坞的INS/USBL组合导航定位方法，主要包括以下步骤：将USBL(Ultra Short Base Line)收发器和INS(Inertial Navigation System)置于AUV载体中，将应答器置于入坞口处；通过在距入坞口一定距离处设置两个定点，使AUV在这两点进行悬停，悬停点经纬度由INS获取，AUV与应答器基阵距离值由USBL获取；根据AUV位置和AUV收发器与应答器间距离得到入坞口的位置；根据出入坞口的位置规划路径，实现AUV对入坞口的导航定位。其成本低，工程应用性强，可为自治水下机器人进行自主入坞和水下对接提供技术保证。
面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，包括以下步骤：
将超短基线(USBL)收发换能器和惯性导航系统(INS)置于AUV载体中，将应答器基阵置于入坞口处；通过在距入坞口一定距离处设置两个定点，使AUV在这两点进行悬停，悬停点经纬度由INS获取，AUV与应答器基阵距离值由USBL获取；通过INS数据和USBL数据进行整合计算出入坞口的精确位置，并进行入坞的路径规划，可实现AUV对入坞口的精确定位，进而对其进行入坞导航。
所述数据采集过程是通过AUV在距入坞口一定距离处设置两个悬停点。悬停点位置可通过INS获取。AUV在悬停点处接收多组应答器基阵数据，并对数据进行滤波处理。
所述航行体悬停位置与应答器距离大于50m且小于200m。
所述USBL收发器置于载体艏部，两个应答器置于入坞口两侧，组成基阵；INS置于载体重心处，使其获取的数据为载体重心在大地坐标系下的位置。
所述入坞口位置解算是将INS采集的AUV当前经纬度数据进行转化，整理成收发器当前位置P和P’，而后与USBL采集的距离数据进行整合，解算出入坞目标点位置。其中A、B为布放在入坞口的应答器基阵。解算过程如下公式：
首先由公式(1)计算出A点经纬度(X1，Y1)：
Figure BDA0001170522800000041
采用同样方法计算B点经纬度(X2，Y2)，公式如下：
Figure BDA0001170522800000042
然后计算其中点经纬度，即为目标点位置(X，Y)：
Figure BDA0001170522800000043
公式(1)、(2)中，a，b为收发器在P点经纬度，a为经度值，b为纬度值，a’，b’为收发器在P’点经纬度；la、lb分别为收发器在P点与应答器A、B的距离值，la’、lb’分别为收发器在P’点与应答器A、B的距离值。
所述解算出入坞口精确位置后，在入坞口目标点处做中垂线，将其作为目标航线，以此来进行AUV的导航控制。
(1)INS/USBL组合导航系统布放方式及悬停点设置
将USBL收发换能器和INS系统置于AUV载体中，将应答器基阵置于入坞口处。此处采用两个应答器组成应答器基阵。导航系统布放方式和悬停点位置如图1所示。图中应答器A、B分别置于入坞口两端，以此组成基阵，收发器置于载体艏部段，INS置于载体中部段重心处；P、P’为设定的AUV收发器的悬停点位置，在悬停点处，AUV接收多组应答器数据并存入AUV数据库，便于后续滤波处理。
(2)对距离数据进行滤波处理
为了获取稳定、可靠地航行体与应答器间的距离数据，需对收到的应答器数据进行滤波处理。滤波方法为采集10组距离数据，然后进行排序，去掉最高值和最低值，取剩余数据的平均值作为当前的距离真值。
(3)计算入坞目标点的精确位置。
将INS得到的AUV当前经纬度作为准确值，与应答器数据进行整合得出入坞目标点的经纬度值。其定位示意图如图2所示。图2中，A、B为USBL应答器，将其布放在入坞口两端，以此组成基阵，M为其中点，为入坞目标点。P、P’为AUV的收发器的悬停点，其位置可通过INS采集得到，la、la’、lb、lb’分别为收发器在P、P’点时与A、B的距离值。可根据以下步骤解算出目标点经纬度。
首先根据地球经纬度估计公式总结出：同一经度上，纬度每隔1°距离相差111000m；同一纬度上，经度每隔1°距离相差111000·cos(eπ/180)m，其中，e为该点纬度。
根据以上估计值，由公式(1)计算出A点经纬度(X1，Y1)：
Figure BDA0001170522800000061
采用同样方法由公式(2)计算B点经纬度(X2，Y2)：
Figure BDA0001170522800000062
然后由公式(3)计算其中点经纬度，即为目标点位置M(X，Y)：
Figure BDA0001170522800000063
公式(1)、(2)中，a，b为收发器在P点经纬度，a为经度值，b为纬度值，a’，b’为收发器在P’点经纬度；la、lb分别为收发器在P点与应答器A、B的距离值，la’、lb’分别为收发器在P’点与应答器A、B的距离值。
(4)入坞路径规划
解算出入坞口精确位置后，在入坞口目标点处做中垂线，如图2中虚线所示，将其作为目标航线，以此来进行AUV的导航控制。
在主控计算机上，采用实时多用户操作系统下的C语言编程，可实现上述目标解算和导航控制。

Claims (4)

1.面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，其特征在于包括以下步骤：
将USBL收发器和INS置于AUV载体中，将应答器置于入坞口处；
通过在距入坞口设定距离内设置两个定点，使AUV在这两点进行悬停，悬停点经纬度由INS获取，AUV与应答器的距离由USBL获取；
根据AUV悬停点位置、AUV与应答器的距离得到入坞口的位置；
根据入坞口的位置规划路径，实现AUV对入坞口的导航定位；
所述根据入坞口的位置规划路径，实现AUV对入坞口的导航定位包括以下步骤：
首先将INS采集的AUV当前经纬度数据转化为USBL收发器当前位置P和P’，而后与USBL收发器采集的距离数据进行整合，解算出入坞目标点位置：
1)首先计算出应答器A的经纬度(X1，Y1)：
Figure FDA0003028448330000011
2)采用同样方法计算B点经纬度(X2，Y2)，公式如下：
Figure FDA0003028448330000012
公式(1)、(2)中，a，b为收发器在P点经纬度，a为经度值，b为纬度值，a’，b’分别为收发器在P’点经、纬度；la、lb分别为收发器在P点与应答器A、B的距离值，la’、lb’分别为收发器在P’点与应答器A、B的距离值，A、B为布放在入坞口的应答器；
3)计算应答器A与应答器B位置连线的中点经纬度，即为入坞口的经纬度(X，Y)：
Figure FDA0003028448330000013
2.根据权利要求1所述的面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，其特征在于：所述USBL收发器置于AUV艏部段；应答器为两个，分别设于入坞口两侧；INS置于AUV载体重心处，使其获取的数据为AUV载体重心的经纬度。
3.根据权利要求1所述的面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，其特征在于所述设定距离为航行体悬停位置与应答器距离大于50m且小于200m。
4.根据权利要求1所述的面向AUV入坞的INS/USBL组合导航定位方法，其特征在于所述根据入坞口的位置规划路径具体为：解算出入坞口位置后，在入坞口位置处做中垂线，将其作为目标航线，用于进行AUV的导航控制。
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