CN110954097A - 一种用于机器人组合的导航定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机器人组合的导航定位方法，采用捷联惯性导航装置测量机器人的位置、速度、航向姿态信号并传送给信息融合模块；其将导航系下的位置矢量和航向角与载体系下速度矢量和加速度矢量作为滤波器状态矢量，滤波结果被机器人控制；取GPS接收机输出的水平位置信息，航姿参考系统输出的航向、姿态及载体系下加速度信息与载体系下多普勒测速声纳的速度信息，通过强跟踪无迹卡尔曼滤波器实现机器人的自主校正与数据滤波；信息融合模块将捷联惯性导航装置、无迹卡尔曼滤波器的信息进行融合，输出航行器导航信息，并校正捷联惯性导航装置；解决了现有技术中存在的导航定位系统难以实现导航信息融合、导航不准确的问题。
Description
技术领域
本发明属于组合导航技术领域，具体涉及一种用于机器人组合的导航定位方法。
背景技术
水下导航定位是海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，海洋开发需要获取大范围、高精度的海洋环境数据，需要进行海底勘探、水下测量及水下工程等，现代海战也逐渐发展成为涉及太空、天空、陆地、海面、水下及海底多层空间的立体战争，所有这些都需要有海面与水下导航定位的支撑。
小型水下机器人执行水下任务过程中，需为其控制系统和制导系统提供准确、平滑的位置、深度、姿态以及载体系下的速度和加速度信息，并能自动上浮至水面进行自主校正。小型水下机器人导航定位系统往往存在由海流或海浪干扰导致的系统模型失配问题，并且导航定位系统一般仅能提供未经滤波的加速度、深度信息和导航系下的速度信息，这些信息需经滤波和坐标变换到艇体系后方可被机器人控制系统使用。而取多路导航信号的导航方法通常是简单导航信息的备份，而没有进行有效的信息融合。导航技术是水下潜器所面临的技术挑战之一。导航系统必须提供远距离及长时间的高度位置、速度和姿态信息。精确导航技术是水下潜器有效作业和安全回收的关键，但是受水下环境的复杂性、潜器自身体积、重量、能源以及隐蔽性等因素的影响，实现高精度的水下潜器导航仍然是一项艰巨的任务。由于电磁波在水中衰减大，不能够远程传播，因而陆地上一些成熟的导航方法在水下并不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于机器人组合的导航定位方法，解决了现有技术中存在的导航定位系统难以实现导航信息融合、导航不准确的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种用于机器人组合的导航定位方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采用捷联惯性导航装置测量机器人的位置、速度、航向姿态信号并传送给信息融合模块；
步骤2、信息融合模块将导航系下的位置矢量和航向角与载体系下速度矢量和加速度矢量作为滤波器状态矢量，滤波结果被机器人控制与制导系统直接使用；
步骤3、取GPS接收机输出的水平位置信息，航姿参考系统输出的航向、姿态及载体系下加速度信息与载体系下多普勒测速声纳的速度信息，通过强跟踪无迹卡尔曼滤波器实现水下机器人的自主校正与数据滤波；
步骤4、信息融合模块将捷联惯性导航装置、无迹卡尔曼滤波器的信息进行融合，输出航行器导航信息，并用输出的导航信息校正捷联惯性导航装置。
本发明技术方案的特点还在于：
捷联惯性导航装置包括角速率陀螺仪和加速度计，角速率陀螺仪和加速度计均固接在机器人。
无迹卡尔曼滤波器是通过无损变换使非线性系统方程适用于线性假设下的标准滤波体系。
信息融合模块主要用于对信息的采集、传输、综合、过滤、相关及合成处理。
GPS接收机包括导航型接收机和干涉型接收机。
本发明的有益效果是：
本发明的一种用于机器人组合的导航定位方法，有效地解决了小型水下机器人导航定位系统的模型失配问题，对多路导航设备提供的导航信息进行融合，提高了定位精度，平滑了航向、高度信息，并能直接为控制系统提供平滑的艇体系下的速度与加速度信息。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于机器人组合的导航定位方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采用捷联惯性导航装置测量机器人的位置、速度、航向姿态信号并传送给信息融合模块；
步骤2、信息融合模块将导航系下的位置矢量和航向角与载体系下速度矢量和加速度矢量作为滤波器状态矢量，滤波结果被机器人控制与制导系统直接使用；
步骤3、取GPS接收机输出的水平位置信息，航姿参考系统输出的航向、姿态及载体系下加速度信息与载体系下多普勒测速声纳的速度信息，通过强跟踪无迹卡尔曼滤波器实现水下机器人的自主校正与数据滤波；
步骤4、信息融合模块将捷联惯性导航装置、无迹卡尔曼滤波器的信息进行融合，输出航行器导航信息，并用输出的导航信息校正捷联惯性导航装置。
优选地，捷联惯性导航装置包括角速率陀螺仪和加速度计，所述角速率陀螺仪和加速度计均固接在机器人。
其优势在于，整个系统的体积、重量和成本大大降低，通常陀螺仪和加速度计只占导航平台的1/7；惯性仪表便于安装维护，便于更换；惯性仪表可以给出轴向的线加速度和角速度，这些信息是控制系统所需要的；和平台式系统相比，捷联式系统可以提供更多的导航和制导信息。
优选地，无迹卡尔曼滤波器是通过无损变换使非线性系统方程适用于线性假设下的标准滤波体系。
无迹卡尔曼滤波器以UT变换为基础，摒弃了对非线性函数进行线性化的传统做法，采用卡尔曼线性滤波框架，对于一步预测方程，使用无迹(UT)变换来处理均值和协方差的非线性传递。而且无迹卡尔曼滤波器是对非线性函数的概率密度分布进行近似，用一系列确定样本来逼近状态的后验概率密度，而不是对非线性函数进行近似，不需要求导计算Jacobian矩阵。无迹卡尔曼滤波器没有线性化忽略高阶项，因此非线性分布统计量的计算精度较高。
优选地，信息融合模块主要用于对信息的采集、传输、综合、过滤、相关及合成处理。
优选地，GPS接收机包括导航型接收机和干涉型接收机。
导航型接收机主要用于对机器人的导航，它可以实时给出机器人的位置和速度，导航型接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25m，有SA影响时为±100m。干涉型接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个机器人测站间距离。
本发明一种用于机器人组合的导航定位方法的优点在于：
本发明的一种用于机器人组合的导航定位方法，有效地解决了小型水下机器人导航定位系统的模型失配问题，对多路导航设备提供的导航信息进行融合，提高了定位精度，平滑了航向、高度信息，并能直接为控制系统提供平滑的艇体系下的速度与加速度信息。
Claims (5)
1.一种用于机器人组合的导航定位方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采用捷联惯性导航装置测量机器人的位置、速度、航向姿态信号并传送给信息融合模块；
步骤2、所述信息融合模块将导航系下的位置矢量和航向角与载体系下速度矢量和加速度矢量作为滤波器状态矢量，滤波结果被机器人控制与制导系统直接使用；
步骤3、取GPS接收机输出的水平位置信息，航姿参考系统输出的航向、姿态及载体系下加速度信息与载体系下多普勒测速声纳的速度信息，通过强跟踪无迹卡尔曼滤波器实现水下机器人的自主校正与数据滤波；
步骤4、所述信息融合模块将捷联惯性导航装置、无迹卡尔曼滤波器的信息进行融合，输出航行器导航信息，并用输出的导航信息校正捷联惯性导航装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于机器人组合的导航定位方法，其特征在于，所述捷联惯性导航装置包括角速率陀螺仪和加速度计，所述角速率陀螺仪和加速度计均固接在机器人。
3.根据权利要求1所述的一种用于机器人组合的导航定位方法，其特征在于，所述无迹卡尔曼滤波器是通过无损变换使非线性系统方程适用于线性假设下的标准滤波体系。
4.根据权利要求1所述的一种用于机器人组合的导航定位方法，其特征在于，所述信息融合模块主要用于对信息的采集、传输、综合、过滤、相关及合成处理。
5.根据权利要求1所述的一种用于机器人组合的导航定位方法，其特征在于，所述GPS接收机包括导航型接收机和干涉型接收机。
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