CN108955676B - 深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法 - Google Patents

深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108955676B
CN108955676B CN201810860281.6A CN201810860281A CN108955676B CN 108955676 B CN108955676 B CN 108955676B CN 201810860281 A CN201810860281 A CN 201810860281A CN 108955676 B CN108955676 B CN 108955676B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ins
anfis
deep sea
data
submersible vehicle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810860281.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108955676A (zh
Inventor
陈熙源
邵鑫
王俊玮
方琳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201810860281.6A priority Critical patent/CN108955676B/zh
Publication of CN108955676A publication Critical patent/CN108955676A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108955676B publication Critical patent/CN108955676B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/005—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 with correlation of navigation data from several sources, e.g. map or contour matching
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
    • G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial

Abstract

本发明公开了一种深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的位置数据融合方法，属于水下导航定位技术领域。深海潜器根据不同工作需求可以进行高精度和低精度工作状态切换，状态信息可以直接传递给下一状态，但由于系统采用惯性导航解算，误差会不断累积。为解决误差累积问题，本发明建立自适应神经模糊系统(ANFIS)对GPS和INS数据进行融合，当深海潜器浮至水面接收GPS信号时，采用GPS数据和INS数据对ANFIS进行训练，建立INS解算位置与GPS定位之间的误差关系；当深海潜器潜入水下进行工作时，利用INS数据和ANFIS训练过的数据进行位置解算。ANFIS实现思路清晰，可以有效解决GPS信号在水下失锁的问题，大幅提升深海潜器导航系统在水下工作时的定位精度。

Description

深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法
技术领域
本发明属于导航技术领域，具体涉及一种深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法。
背景技术
深海潜器在实际工作中需要同时考虑精度和能耗这两个条件，高精度工作状态下，系统启用的传感装置较多，算法复杂度较高，精度提升的同时也带来了较大的能耗；低精度工作状态下，系统启用极少传感装置以完成基本状态解算，算法简单，精度较低的同时能耗也处于一个较低水平。因此，深海潜器需要结合实际工作需求随时切换自己的工作状态。
深海潜器进行状态切换时，当前工作状态的位置信息有效传递给下一状态可以最大化保证深海潜器的工作精度。但由于深海潜器的工作环境的限制，GPS在水下及其容易遇到失锁的情况，因此系统不论是处于高精度工作状态还是低精度工作状态，通常都使用自主性较强的惯性测量元件IMU作为导航元件，而IMU自身存在一些固有误差，加上噪声影响，工作时会产生非静态的随机误差，并且这些误差会不断累积，导致深海潜器在水下的位置估计失准。若将这些误差较大的位置信息进行传递，对提升深海潜器的工作精度不利。因此，还需要考虑在状态切换情况下如何减少IMU的各项误差导致的导航偏差。
发明内容
发明目的：针对现有技术的问题，本发明提出一种深海潜器导航系统，其包含低精度工作状态与高精度工作状态，能够根据需求随时切换自己的工作状态。
本发明的另一目的在于提供一种用于深海潜器状态切换的数据融合方法，在每次状态切换过程中利用GPS位置数据对惯性导航系统INS位置数据进行校正融合，提升对深海潜器位置估计的精度。
技术方案：为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种深海潜器导航系统，具有低精度和高精度两种不同精度的工作状态并且两种工作状态可以互相切换，该导航系统包括：微机电系统惯性测量单元、光纤惯性传感器、全球卫星定位系统接收模块、三维电子罗盘、三轴磁力计、深度计、数字信号处理模块，其中，
微机电系统惯性测量单元集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于低精度工作状态下的数据采集工作；
光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，用于高精度工作状态下的运动数据采集工作；
全球卫星定位系统接收模块用于接收GPS信号，并传入数字信号处理模块进行运算；
三轴磁力计和三维电子罗盘分别用于低精度和高精度工作状态下辅助微机电系统惯性测量单元进行航向信息的校正；
深度计用来测量深海潜器的垂直方向的位置信息；
数字信号处理模块完成所有的数据处理、传输工作从而实现导航解算和状态切换。
进一步地，数字信号处理模块完成导航系统在不同工作状态下的导航解算，当系统状态切换时，数字信号处理模块负责姿态、位置信息的传递以及利用GPS信号对姿态、位置的校正融合，最终实现姿态、位置数据的输出。
进一步地，导航系统在低精度工作状态下启用微机电系统惯性测量单元与三轴磁力计；在高精度工作状态下启用光纤惯性传感器、三维电子罗盘和深度计。
一种用于深海潜器状态切换的位置数据融合方法，包含以下步骤：
1)当深海潜器导航系统需要进行状态切换时，首先浮至水面接收GPS信号，利用GPS信号和INS数据对ANFIS进行训练，建立GPS定位与INS解算位置之间的误差关系，并利用GPS信号与INS数据的差量对INS解算结果进行校正输出，完成深海潜器导航系统在水面的位置解算；
2)当深海潜器导航系统重新进入水下工作时，利用训练过的ANFIS预测误差对INS解算进行校正，得到水下工作状态的位置估计。
进一步地，ANFIS的训练过程包括：确定长度为w(根据经验决定)个时刻的窗口，在这w个时刻内同时接收INS数据和GPS数据，其中INS数据需要进一步解算成地心坐标系中X,Y,Z三个方向位置的信息；将INS解算的位置数据和GPS位置数据的差量作为ANFIS的输入，将由INS解算的位置信息与真实位置信息的误差作为ANFIS的输出响应，在采集w个样本信号的过程中对ANFIS的输入和输出不断进行更新，最终ANFIS的均方根误差小于某一个设定的阈值才能进行w+1时刻的样本信号采集。
有益效果：
1、本发明的深海潜器导航系统具有两种不同精度的工作状态并且两种工作状态可以互相切换。在低精度工作状态下使用微机电系统惯性测量单元来采集运动数据，在高精度工作状态下启动光纤惯性传感器采集数据，光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，能够精确地确定系统的方位，提高工作精度。
2、深海潜器根据不同工作需求进行状态切换时，状态信息可以直接传递给下一状态，但由于系统采用惯性导航解算，误差会不断累积。为解决误差累积问题，本发明建立自适应神经模糊系统，在状态切换时利用GPS信号和INS数据进行训练，建立INS与GPS之间的误差关系，处于水下工作状态时利用误差关系对INS解算数据进行校正融合，最终实现深海潜器长航时、高精度、高稳定性的工作性能。
附图说明
图1是本发明的深海潜器导航系统的工作示意图；
图2是ANFIS训练过程示意图；
图3是ANFIS预测过程示意图。
图4是ANFIS结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种深海潜器导航系统包括微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)、光纤惯性传感器、全球卫星定位系统(GPS)接收模块、三维电子罗盘、三轴磁力计、深度计、数字信号处理(DSP)模块。微机电系统惯性测量单元MEMS-IMU采用惯性传感器，集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于采集运动数据。光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，也用于采集运动数据。GPS接收模块用于接收GPS信号，并传入DSP模块进行运算。三轴磁力计和三维电子罗盘采用冗余设计，用于辅助IMU进行航向信息的校正。深度计用来测量深海潜器的垂直方向的位置信息，以判断深海潜器是否浮出水面。DSP模块完成所有的数据处理、传输工作从而实现导航解算和状态切换。
深海潜器导航系统包含低精度工作状态与高精度工作状态，当深海潜器处于复杂环境中或者执行高精度任务时，系统切换至高精度工作状态以获取较准确的姿态、位置数据；当深海潜器处于休眠状态或执行低精度任务时，系统切换至低精度工作状态。低精度工作状态下，启用MEMS惯性传感器采集数据，三轴加速度计和三轴陀螺仪测量系统的姿态和速度，并用三轴磁力计辅助校正航向，系统功耗较低。高精度工作状态下，启用以光纤陀螺为核心的光纤惯性传感器采集运动数据，可以得到系统的姿态和速度，并用三维电子罗盘辅助校正航向，使用深度计测量垂直位置，系统功耗较高。当系统状态切换时，DSP模块负责姿态、位置信息的传递以及利用GPS信号对姿态、位置的校正融合，最终实现姿态、位置数据的输出。
以上描述了导航系统的结构和工作方式，在此基础上，导航系统状态切换时数据融合方法的思路如下：在深海潜器导航系统状态切换过程中对深海潜器的位置进行校正，并利用INS数据和GPS数据对自适应神经模糊系统进行训练，为水下工作时的位置估计提供预测校正服务。下面描述具体实现过程。
由于GPS信号在水下无法传输，因此深海潜器只有在水面时才能利用GPS信号对自身位置进行校正。因此考虑建立自适应神经模糊系统(ANFIS)，在可以接收GPS信号时对系统进行训练，在水下无法接收GPS信号时利用系统训练结果对INS数据进行校正，尽可能利用精准的GPS数据来提升系统位置的解算精度。进一步地，状态切换过程中，深海潜器浮至水面，接收GPS信号，并利用GPS数据和INS数据对ANFIS进行训练，ANFIS输出的是INS数据估计的误差量。当深海潜器系统需要进行位置信息输出时，利用ANFIS的输出对位置输出进行校正，得到最终的输出。
ANFIS训练过程如图2所示，在GPS信号可见的情况下，以时间T为基准，分别在地心坐标系中X,Y,Z三个坐标轴方向计算GPS与INS的位置差量，作为ANFIS的系统输入，系统输出INS误差对INS信号进行校正，得到最终的输出。其具体过程包括：首先确定长度为w个时刻的窗口，在这w个时刻内同时接收INS数据和GPS数据，其中INS数据需要进一步解算成三个方向位置的信息。然后将INS解算的位置数据和GPS位置数据的差量作为ANFIS的输入，将由INS解算的位置信息与真实位置信息的误差作为ANFIS的输出响应，在采集w个样本信号的过程中对ANFIS的输入和输出不断进行更新。最终ANFIS的均方根误差要小于某一个设定的阈值才能进行w+1时刻的样本信号采集。
ANFIS预测过程如图3所示，此时GPS信号不可用，ANFIS利用训练的三个方向的位置误差量直接对此时INS解算的位置进行补偿，得到最终校正后的位置结果。
ANFIS结构如图4所示，系统一共分为五层。第一层的每个节点是自适应节点，节点输出定义为：
O1,i＝μAi(x),for i＝1,2
或者
O1,i＝μBi-2(x),for i＝3,4
式中μ为系统函数，x为节点的输入，即INS解算的三个方向的位置信息，i为节点的下标序号，A或B为有关这个节点的模糊集合。
第二层为固定节点，每个节点的输出表示规则的启动强度，表达式为：
O2,i＝Wi＝μAi*μBi for i＝1,2
第三层同样为固定节点，节点计算第i个规则的启动强度和所有启动强度总和的比，输出结果为标准化的启动强度。表达式为：
Figure BDA0001749473400000041
第四层为自适应节点，表达式为：
O4,i＝W3fi＝W3(pix+qiy+ri)
式中，y为节点的输入，即INS解算的三个方向的位置信息，{pi,qi,ri}是参数集，参数集为输入的线性组合。
第五层只有单个节点，计算了所有信号的总和输出，表达式为：
Figure BDA0001749473400000051
根据以上流程，就可以将INS解算的位置信息作为输入计算得到位置差量，对INS工作时解算的位置进行补偿得到最终位置结果。

Claims (1)

1.一种用于深海潜器状态切换的位置数据融合方法，所述深海潜器具有低精度和高精度两种不同精度的工作状态并且两种工作状态可以互相切换，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
1)当深海潜器导航系统需要进行状态切换时，首先浮至水面接收GPS信号，利用GPS信号和INS数据对ANFIS进行训练，建立GPS定位与INS解算位置之间的误差关系，并利用GPS信号与INS数据的差量对INS解算结果进行校正输出，完成深海潜器导航系统在水面的位置解算，
其中ANFIS的训练过程为：在GPS信号可见的情况下，以时间T为基准，分别在地心坐标系中X，Y，Z三个坐标轴方向计算GPS与INS的位置差量，作为ANFIS的系统输入，系统输出INS误差对INS信号进行校正，得到最终的输出；
ANFIS的训练过程具体包括：确定长度为w个时刻的窗口，在这w个时刻内同时接收INS数据和GPS数据，其中INS数据需要进一步解算成X,Y,Z三个方向位置的信息；将INS解算的位置数据和GPS位置数据的差量作为ANFIS的输入，将由INS解算的位置信息与真实位置信息的误差作为ANFIS的输出响应，在采集w个样本信号的过程中对ANFIS的输入和输出不断进行更新，最终ANFIS的均方根误差小于某一个设定的阈值才能进行w+1时刻的样本信号采集；所述ANFIS包括五层结构，第一层的每个节点是自适应节点；第二层为固定节点，每个节点的输出表示规则的启动强度；第三层同样为固定节点，输出结果为标准化的启动强度；第四层为自适应节点；第五层只有单个节点，计算了所有信号的总和输出；
2)当深海潜器导航系统重新进入水下工作时，利用训练过的ANFIS预测误差对INS解算进行校正，得到水下工作状态的位置估计，所述利用训练过的ANFIS预测误差对INS解算进行校正包括：ANFIS利用训练过的三个方向的位置误差量直接对此时INS解算的位置进行补偿，得到最终校正后的位置结果。
CN201810860281.6A 2018-08-01 2018-08-01 深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法 Active CN108955676B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810860281.6A CN108955676B (zh) 2018-08-01 2018-08-01 深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810860281.6A CN108955676B (zh) 2018-08-01 2018-08-01 深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108955676A CN108955676A (zh) 2018-12-07
CN108955676B true CN108955676B (zh) 2021-04-27

Family

ID=64466726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810860281.6A Active CN108955676B (zh) 2018-08-01 2018-08-01 深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108955676B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110030999A (zh) * 2019-05-21 2019-07-19 杭州鸿泉物联网技术股份有限公司 一种基于惯性导航的定位方法、装置、系统和车辆
CN110418278B (zh) * 2019-07-25 2021-11-09 李印 一种基于进化神经网络的三维定位系统
CN110501009A (zh) * 2019-08-07 2019-11-26 北京航空航天大学 一种用于微机电惯性测量单元温度误差补偿的方法
CN111426321B (zh) * 2020-04-03 2022-08-12 北京爱笔科技有限公司 一种室内机器人的定位方法及装置
CN111649742B (zh) * 2020-05-08 2022-02-08 北京航空航天大学 一种基于anfis辅助的高程估计方法
CN113075717A (zh) * 2021-03-30 2021-07-06 太原理工大学 小波自适应神经网络减法聚类模糊推理方法、系统及定位设备、存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101819041A (zh) * 2010-04-16 2010-09-01 北京航空航天大学 自进化anfis与ukf结合的gps/mems-ins组合定位误差动态预测方法
CN102519450A (zh) * 2011-12-12 2012-06-27 东南大学 一种用于水下滑翔器的组合导航装置及方法
CN108344413A (zh) * 2018-02-07 2018-07-31 东南大学 一种水下滑翔器导航系统及其低精度与高精度转换方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101819041A (zh) * 2010-04-16 2010-09-01 北京航空航天大学 自进化anfis与ukf结合的gps/mems-ins组合定位误差动态预测方法
CN102519450A (zh) * 2011-12-12 2012-06-27 东南大学 一种用于水下滑翔器的组合导航装置及方法
CN108344413A (zh) * 2018-02-07 2018-07-31 东南大学 一种水下滑翔器导航系统及其低精度与高精度转换方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于ANFIS的水下航行器组合导航技术研究;刘佳兴;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技II辑》;20140415;C036-153 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108955676A (zh) 2018-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108955676B (zh) 深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法
CN109443379B (zh) 一种深海潜航器的sins/dvl水下抗晃动对准方法
CN106767752B (zh) 一种基于偏振信息的组合导航方法
CN108731670A (zh) 基于量测模型优化的惯性/视觉里程计组合导航定位方法
CN103744098B (zh) 基于sins/dvl/gps的auv组合导航系统
Li et al. A novel backtracking navigation scheme for autonomous underwater vehicles
CN112697138B (zh) 一种基于因子图优化的仿生偏振同步定位与构图的方法
CN108344413B (zh) 一种水下滑翔器导航系统及其低精度与高精度转换方法
CN112505737B (zh) 一种gnss/ins组合导航方法
CN110906930B (zh) 一种联合auv的水下重力灯塔潜艇导航方法及系统
CN104729506A (zh) 一种视觉信息辅助的无人机自主导航定位方法
CN111024064A (zh) 一种改进Sage-Husa自适应滤波的SINS/DVL组合导航方法
CN108387236B (zh) 一种基于扩展卡尔曼滤波的偏振光slam方法
CN109000640A (zh) 基于离散灰色神经网络模型的车辆gnss/ins组合导航方法
CN110285834B (zh) 基于一点位置信息的双惯导系统快速自主重调方法
CN107966145B (zh) 一种基于稀疏长基线紧组合的auv水下导航方法
CN104697520A (zh) 一体化无陀螺捷联惯导系统与gps系统组合导航方法
CN103884340A (zh) 一种深空探测定点软着陆过程的信息融合导航方法
CN112904396A (zh) 一种基于多传感器融合的高精度定位方法及系统
CN109387198A (zh) 一种基于序贯检测的惯性/视觉里程计组合导航方法
CN113008229A (zh) 一种基于低成本车载传感器的分布式自主组合导航方法
CN116026324B (zh) 用于水-空跨介质航行器的跨域导航系统和方法
CN115143954B (zh) 一种基于多源信息融合的无人车导航方法
CN103616026A (zh) 一种基于h∞滤波的auv操纵模型辅助捷联惯导组合导航方法
CN113670303B (zh) 一种基于rbf神经网络的sins/dvl组合导航流速补偿方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant