CN110987018B - 比力微分的位置法dvl误差标定方法及系统 - Google Patents

比力微分的位置法dvl误差标定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种比力微分的位置法DVL误差标定方法及系统，包括：根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据；根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量；根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至初始步骤。本发明具有消除随机噪声及标定自主性的优点。

Description

比力微分的位置法DVL误差标定方法及系统
技术领域
本发明涉及水下导航的技术领域，尤其是指一种比力微分的位置法DVL误差标定方法及系统。
背景技术
当前多普勒计程仪(简称DVL)测量系统是水下航行器等设备的主要导航器件，利用多普勒效应，可以实现水下高精度的测速应用。但是，由于温度、水流等因素的影响，导致DVL测速过程中存在一定的比例因子误差，进而影响系统导航定位精度。同时，惯性导航系统(简称IMU)与所述DVL之间的安装误差角也是影响系统导航定位精度的原因之一。
传统的DVL误差标定过程需要利用外部设备，如GPS导航系统等，获取高精度的位置参考信息，通过速度去标定误差。但由于外部设备需要一定的工作环境及使用条件，而且速度的标定会导致噪声干扰大，因此限制了DVL误差标定过程，不利于水下航行器应用需求的发展。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中在DVL误差标定过程中噪声干扰大的问题，从而提供一种噪声干扰小的位置法DVL误差标定方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明的一种比力微分的位置法DVL误差标定方法，包括如下步骤：根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据；根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量；根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至初始步骤。
在本发明的一个实施例中，所述根据所述DVL及IMU数据计算参考矢量和观测矢量的方法为：根据所述DVL数据及IMU数据构建系统误差模型，根据所述系统误差模型计算参考矢量和观测矢量。
在本发明的一个实施例中，所述系统误差模型为DVL测速方程。
在本发明的一个实施例中，所述DVL测速方程为：其中ζ表示比例因子误差；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示导航系到载体系对应的方向余弦矩阵；vn表示导航系速度；vd表示DVL坐标系速度。
在本发明的一个实施例中，所述DVL测速方程进行变换后：对上式两边求导可得：/>其中ζ表示比例因子误差；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；vd表示DVL坐标系速度；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵的微分；/>表示DVL坐标系下速度微分；/>表示导航系下速度微分。
在本发明的一个实施例中，所述根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数时：利用所述参考矢量和观测矢量之间的关系可得当获取所述比例因子误差后，得到/>其中ζp,k表示k时刻计算的比例因子误差；/>表示位置观测矢量；/>表示k时刻的位置参考矢量；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵。
在本发明的一个实施例中，所述标定参数包括比例因子误差和安装误差角。
本发明还公开了一种比力微分的位置法DVL误差标定系统，包括获取数据模块，所述获取数据模块用于根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据；计算模块，所述计算模块用于根据所述DVL及IMU数据计算参考矢量和观测矢量；判断模块，所述判断模块用于根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至所述获取数据模块。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的比力微分的位置法DVL误差标定方法及系统，根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据，有利于实现IMU的加速度计测量与DVL测量关联；根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量，从而具有消除随机噪声的优点；根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至所述步骤S1，本发明由于利用所述IMU的加速度计测量对DVL误差进行标定，因此还具有标定自主性的优点。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明比力微分的位置法DVL误差标定方法流程图；
图2是本发明水下航行器水下运动速度曲线图；
图3是本发明比例因子误差标定误差曲线图；
图4是本发明DVL与惯性导航之间安装误差角标定误差第一曲线图；
图5是本发明DVL与惯性导航之间安装误差角标定误差第二曲线图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种比力微分的位置法DVL误差标定方法，包括如下步骤：步骤S1：根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据；步骤S2：根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量；步骤S3:根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至所述步骤S1。
本实施例所述比力微分的位置法DVL误差标定方法，所述步骤S1中，根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据，有利于实现IMU的加速度计测量与DVL测量关联；所述步骤S2中，根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量，从而具有消除随机噪声的优点；所述步骤S3中，根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至所述步骤S1，本发明由于利用所述IMU的加速度计测量对DVL误差进行标定，因此还具有标定自主性的优点。
根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量的方法为：根据所述DVL数据及IMU数据构建系统误差模型，根据所述系统误差模型计算参考矢量和观测矢量。所述系统误差模型为DVL测速方程。
下面详细说明如何根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量：
所述DVL测速方程为：
其中ζ表示比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示导航系到载体系对应的方向余弦矩阵；vn表示导航系速度；vd表示DVL坐标系速度。对所述DVL测速方程进行变换后：
其中ζ表示比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；vn表示导航系速度；vd表示DVL坐标系速度；对公式(2)两边求导可得：
其中ζ表示比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；vd表示DVL坐标系速度；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵的微分；/>表示DVL坐标系下速度微分；/>表示导航系下速度微分。
假设载体做水平直线运动，此时可以近似为0，因此公式(3)可以简化为：
其中ζ表示比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；vd表示DVL坐标系速度；/>表示DVL坐标系下速度微分；/>表示导航系下速度微分；由惯导比力方程可知：
其中ζ表示比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；vd表示DVL坐标系速度；/>表示DVL坐标系下速度微分；fb表示比力；/>表示地球系相对于惯性系旋转角速度在导航系上的测量角速度；/>表示导航系相对于地球系旋转角速度在导航系上的测量角速度；vn表示导航系速度；gn表示重力矢量在导航系的投影；对上述公式(5)进行变换，可以得到如下公式：
其中ζ表示比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；vd表示DVL坐标系速度；/>表示DVL坐标系下速度微分；fb表示比力；/>表示地球系相对于惯性系旋转角速度在载体系上的测量角速度；/>表示导航系相对于地球系旋转角速度在载体系上的测量角速度；gn表示重力矢量在导航系的投影；
当水下航行器做水平直线运动时，公式(6)可以近似为：
其中ζ表示比例因子误差；表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；gn表示重力矢量在导航系的投影；fb表示比力；vd表示DVL坐标系速度；将加速度计和DVL测量值带入公式(7)可得：
其中ζ表示比例因子误差；表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；gn表示重力矢量在导航系的投影；/>表示加速度计测量比力；▽b表示加速度计零偏；/>表示DVL测量速度的微分；对公式(8)两边再求导可得：
其中ζ表示比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示加速度计测量比力微分；/>表示DVL测量速度的二次微分；
当水下航行器在水下运动时，加速度计测量比力为
将加速度计测量比力代入公式(9)可得：
其中表示DVL测量速度的二次微分；ζ表示比例因子误差；/>表示y轴上的加速度计测量微分；θ表示x轴安装误差角；ψ表示z轴安装误差角；
对公式(10)进行三次积分可得：
其中表示k时刻的位置参考矢量；/>表示加速度计测量比力微分；/>表示τ时刻的比力；/>表示t0时刻的比力；
对公式(11)进行离散化可得：
其中表示k时刻的位置参考矢量；/>表示k-1时刻的位置参考矢量；ΔtD表示DVL采样时间；/>表示中间变量；ΔtS表示惯性测量单元采样时间；/>表示tk+jΔtS时刻加速度计测量的比力；N表示一个DVL采样周期内惯性测量单元采样数；/>表示t0时刻的比力；同理可得：
其中表示位置观测矢量；/>表示DVL测量速度的二次微分；/>表示τ时刻的DVL测量速度的微分；/>表示t0时刻的DVL测量速度的微分；/>表示t时DVL刻测量速度；/>表示t0时刻DVL测量速度；N表示一个DVL采样周期内惯性测量单元采样数；ΔtS表示惯性测量单元采样时间；/>表示ti时刻DVL测量速度；ΔtD表示DVL采样时间；
所述根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数时，利用所述参考矢量和观测矢量之间的关系可得，其中所述标定参数包括比例因子误差和安装误差角：
其中ζp,k表示k时刻计算的比例因子误差；表示位置观测矢量；/>表示k时刻的位置参考矢量；当比例因子误差已知时，可以得到：
其中ζp,k表示k时刻计算的比例因子误差；表示位置观测矢量；/>表示k时刻的位置参考矢量；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵。
所述标定参数确定后，若标定过程持续时间为M，标定时间为k，若k≥M，则输出标定参数，完成标定过程，若k<M，表示标定过程未完成，则返回所述步骤一，直至标定过程结束。
下面通过Matlab仿真软件进行仿真验证，从而证明自主标定的可行性。
仿真硬件环境均为Intel(R)Core(TM)T9600 CPU 2.80GHz，4G RAM，Windows 7操作系统。从图2中可以看出，为了实现比力微分位置矢量构造，需要水下航行器按照变加速度运动。如图3所示，采用50次蒙特卡洛仿真得到50组标定结果，实现了比力因子误差小于0.02％的标定精度。请参考图4和图5所示，从图中可以看出，采用比力微分进行安装误差角标定之后，x轴安装误差角小于0.04°，z轴安装误差角小于0.05°，达到了较好的DVL误差自主标定目标。
实施例二
基于同一发明构思，本实施例提供一种比力微分的位置法DVL误差标定系统，其解决问题的原理与所述比力微分的位置法DVL误差标定方法类似，重复之处不再赘述。
本实施例所述比力微分的位置法DVL误差标定系统，包括：
获取数据模块，所述获取数据模块用于根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据；
计算模块，所述计算模块用于根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量；
判断模块，所述判断模块用于根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至所述获取数据模块。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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 (8)

1.一种比力微分的位置法DVL误差标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据；
步骤S2：根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量，
其中加速度计测量比力为
将加速度计测量比力代入公式
其中ζ表示比例因子误差，表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示加速度计测量比力微分；/>表示DVL测量速度的二次微分，可得：
其中表示DVL测量速度的二次微分；ζ表示比例因子误差；/>表示y轴上的加速度计测量微分；θ表示x轴安装误差角；ψ表示z轴安装误差角；
对公式(10)进行三次积分可得：
其中表示k时刻的位置参考矢量；/>表示加速度计测量比力微分；/>表示τ时刻的比力；/>表示t0时刻的比力；
对公式(11)进行离散化可得：
其中表示k时刻的位置参考矢量；/>表示k-1时刻的位置参考矢量；ΔtD表示DVL采样时间；/>表示中间变量；ΔtS表示惯性测量单元采样时间；/>表示tk+jΔtS时刻加速度计测量的比力；N表示一个DVL采样周期内惯性测量单元采样数；/>表示t0时刻的比力；同理可得：
其中表示位置观测矢量；/>表示DVL测量速度的二次微分；/>表示τ时刻的DVL测量速度的微分；/>表示t0时刻的DVL测量速度的微分；/>表示t时DVL刻测量速度；表示t0时刻DVL测量速度；N表示一个DVL采样周期内惯性测量单元采样数；ΔtS表示惯性测量单元采样时间；/>表示ti时刻DVL测量速度；ΔtD表示DVL采样时间；
步骤S3：根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至所述步骤S1。
2.根据权利要求1所述的比力微分的位置法DVL误差标定方法，其特征在于：所述根据所述DVL数据及IMU数据计算参考矢量和观测矢量的方法为：根据所述DVL及IMU数据构建系统误差模型，根据所述系统误差模型计算参考矢量和观测矢量。
3.根据权利要求2所述的比力微分的位置法DVL误差标定方法，其特征在于：所述系统误差模型为DVL测速方程。
4.根据权利要求3所述的比力微分的位置法DVL误差标定方法，其特征在于：所述DVL测速方程为：其中ζ表示比例因子误差；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示导航系到载体系对应的方向余弦矩阵；vn表示导航系速度；vd表示DVL坐标系速度。
5.根据权利要求4所述的比力微分的位置法DVL误差标定方法，其特征在于：所述DVL测速方程进行变换后：对上式两边求导可得：/>其中ζ表示比例因子误差；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵；vd表示DVL坐标系速度；/>表示载体系到导航系对应的方向余弦矩阵的微分；/>表示DVL坐标系下速度微分；/>表示导航系下速度微分。
6.根据权利要求1所述的比力微分的位置法DVL误差标定方法，其特征在于：所述根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数时：利用所述参考矢量和观测矢量之间的关系可得当获取所述比例因子误差后，得到/>其中ζp,k表示k时刻计算的比例因子误差；/>表示位置观测矢量；/>表示k时刻的位置参考矢量；/>表示安装误差角对应的方向余弦矩阵。
7.根据权利要求1所述的比力微分的位置法DVL误差标定方法，其特征在于：所述标定参数包括比例因子误差和安装误差角。
8.一种比力微分的位置法DVL误差标定系统，其特征在于：包括
获取数据模块，所述获取数据模块用于根据标定过程所设定的运动轨迹产生相应的DVL数据及IMU数据；
计算模块，所述计算模块用于根据所述DVL及IMU数据计算参考矢量和观测矢量，
其中加速度计测量比力为
将加速度计测量比力代入公式
其中ζ表示比例因子误差，表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；/>表示加速度计测量比力微分；/>表示DVL测量速度的二次微分，可得：
其中表示DVL测量速度的二次微分；ζ表示比例因子误差；/>表示y轴上的加速度计测量微分；θ表示x轴安装误差角；ψ表示z轴安装误差角；
对公式(10)进行三次积分可得：
其中表示k时刻的位置参考矢量；/>表示加速度计测量比力微分；/>表示τ时刻的比力；/>表示t0时刻的比力；
对公式(11)进行离散化可得：
其中表示k时刻的位置参考矢量；/>表示k-1时刻的位置参考矢量；ΔtD表示DVL采样时间；/>表示中间变量；ΔtS表示惯性测量单元采样时间；/>表示tk+jΔtS时刻加速度计测量的比力；N表示一个DVL采样周期内惯性测量单元采样数；/>表示t0时刻的比力；同理可得：
其中表示位置观测矢量；/>表示DVL测量速度的二次微分；/>表示τ时刻的DVL测量速度的微分；/>表示t0时刻的DVL测量速度的微分；/>表示t时DVL刻测量速度；表示t0时刻DVL测量速度；N表示一个DVL采样周期内惯性测量单元采样数；ΔtS表示惯性测量单元采样时间；/>表示ti时刻DVL测量速度；ΔtD表示DVL采样时间；
判断模块，所述判断模块用于根据所述参考矢量和观测矢量计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至所述获取数据模块。
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