CN111735455A - 基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，包含下列步骤：1）将AUV的航迹分割成若干条连接的直线段；2）然后利用航位推算将每个位置点的坐标，得到坐标方程组；3）针对误差用泰勒级数展开进行线性化，设定AUV的位置初始值和迭代阈值，用最小二乘法求出AUV位置的修正量，将修正量与迭代阈值进行比较，若修正量小于迭代阈值则停止迭代；4）若修正量大于迭代阈值，则采用信赖域的方法来更新步长继续迭代；5）求出该直线段的最后一个点的坐标，作为下一直线段的初始点，再重复以上步骤进行迭代；本发明可以有效地修正AUV的速度及位置误差，使得整个系统具有更高的滤波精度和稳定性，为AUV安全回收提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种导航方法，特别涉及一种基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法。
背景技术
占地球面积70％的海洋资源丰富，但目前人类探测海洋的方法有限且昂贵，水下机器人作为开发海洋的重要工具，是打开海洋之门的关键钥匙。自主水下机器人AUV自身携带电源和设备，不需要依靠母船通过电缆供电，它可通过信号光缆、声学通信或卫星通信等通信方式与母船传递信息。AUV由于体积小、活动范围广、隐蔽性高等优点，可以独立自主的完成海洋任务，现已成为各国研究的热点。正是由于AUV的自主活动，AUV需要更长的工作时间、更强的自主性、更快的数据处理速度以及更强的通讯能力，但它也面临着能源不足、设备故障及技术泄露等危险，所以AUV的安全回收是国内外海洋研究领域的重中之重。
而导航定位技术在AUV对接回收中起着举足轻重的作用，是水下AUV安全回收的前提和关键。目前常用的水下导航设备有惯性导航SINS、多普勒里程仪DVL、超短基线定位系统USBL及深度计等[1]。单一的惯性导航系统无法满足AUV在水下长时间、高精度的航行要求，因此组合导航系统应运而生。多个导航设备信息可以通过先进的滤波融合技术进行融合输出，达到AUV对接回收中导航的精度要求。
USBL(Ultra-Short Baseline超短基线定位系统)利用声学定位技术实现对水下目标的定位和跟踪。该导航系统定位精度较高，机动范围较大，可以适应深海复杂的作业环境。与其他基于声学定位的基线系统相比，USBL基线尺寸较小(一般在几厘米至十几厘米的量级)、灵活性高、操作简单、成本较低，因此在水下作业和海洋开发等工程领域得到了广泛应用，但是USBL由于易受海洋环境的影响，经常会出现数据跳动或数据丢失现象，连续性差，在某些需要高精度导航定位的场合受到较大的限制。
SINS(Strapdown Inertial Navigation Systems捷联惯性导航系统)利用陀螺仪和加速度计测量载体相对于惯性空间的角速度和加速度信息，通过解算可求出载体的三维速度、位置和姿态信息。SINS不需要任何外来信息，也不向外辐射信息，仅依靠系统自身就能在全球范围内实现全天候、全天时、自主、隐蔽、连续的定位和定向。该系统已被广泛地应用于航海、航空、航天、交通等各个领域。但是，随着系统工作时间的延长，SINS系统的导航误差会随之积累增长，此时就需要利用外部传感器的观测信息通过滤波算法来修正补偿SINS系统，以抑制其随时间积累的误差。
DVL(Doppler Velocity Log多普勒计程仪)是广泛应用于水下及水面航行器组合系统的速度测量装置，具有实时输出载体三维速度与航程能力的声学导航定位系统。DVL系统利用安装在载体上的超声换能器向海底发射超声波，并根据多普勒效应原理测量载体速度，具有抗干扰能力强、反应快、隐蔽性好、速度测量精确和稳定性高等优点。但是当DVL的波束超出了有效射程范围，测速精度会严重下降，且DVL的测速精度还受到水温、水压、地形和盐度等外界因素的影响。
由于SINS、USBL、和DVL都存在各自的优缺点，采用先进的信息融合技术将SINS、USBL、和DVL者有机结合起来，互相取长补短，构成新一代水下运载器SINS/USBL/DVL自主组合导航系统。该组合导航系统既能克服纯惯性导航系统误差积累问题，又能适用于水下导航定位的特殊环境，为水下载体和目标提供高精度的导航信息，是一种精度高、可靠性好、容错性强的水下导航系统，在军用和民用领域具有广阔的应用前景。因此，对水下运载器SINS/USBL/DVL组合导航系统的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
USBL系统由两部分组成，分别为安装在AUV上的声学基阵和海底应答器、响应器或者声学信标，声学基阵由发射信号的换能器和接收声波信号的水听器组成，声学基阵可以通过测得的距离和方位角计算出AUV的三维位置信息，即通过记录发射询问信号和接收应答信号的时间间隔算出AUV至水下应答器之间的距离，再根据每个水听器接收信号的相位差和时延进行相对位置解算，相对位置再经过几个坐标系的转换，最终完成AUV绝对位置定位。水声定位系统分为测距和测向两种定位方式，而本文采用了纯距离定位的方法进行定位，主要优点在于，纯距离定位法是通过解算航迹的几何路径进行定位的，只需要获得距离量，所以只要USBL的测距功能，简化系统结构。
一般的距离迭代算法需要三个条件才能发挥它的理想效果，分别为AUV的航向和速度误差较小、已知水下声源发射器的绝对地理位置以及多次距离迭代求得AUV的位置，虽然该算法计算量小且简单实用，但如果航向和速度变动大时，该算法误差就较大。申请号为CN201611201932.8的专利文献公开了“一种目标定位及识别方法”，其主要是利用磁异常技术进行测量，但其方法对信噪比要求较高，对于实际的磁异常信号，其收敛速度与收敛性无法保证，很难进行实际应用，不适于大规模应用。申请号为CN201910455748.3的专利文献公开了“一种基于距离方位字典的目标定位算法”，针对不同环境建立不同的距离-方位联合字典，虽然可以对目标的距离及方位进行联合估计，但计算过程过于复杂，实时性和状态估计精度不高，容易出现发散等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，针对AUV对接回收基于SINS/USBL/DVL的自主导航，采用基于改进的高斯距离迭代算法算法的滤波方法，并采用信赖域的方法来更新步长，减少奇异值带来的误差影响，提高滤波算法的精度和稳定性
本发明的目的是这样实现的：一种基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，包含下列步骤：
1)将AUV的航迹分割成若干条连接的直线段，初始直线段的初始点已知，再用超短基线系统的测距法和测向法求出直线段上一点的坐标；
2)已知两点的坐标，然后利用航位推算将每个位置点的坐标替换成待求的位置点的坐标，从而得到一个关于待求的位置点的坐标的方程组；
3)针对步骤2)方程组计算过程中产生误差用泰勒级数展开进行线性化，设定AUV的位置初始值和迭代阈值，用最小二乘法求出AUV位置的修正量，将修正量与迭代阈值进行比较，若修正量小于迭代阈值则停止迭代；
4)若修正量大于迭代阈值，则采用信赖域的方法来更新步长继续迭代；
5)求出该直线段的最后一个点的坐标，作为下一直线段的初始点，再重复以上步骤进行迭代。
作为本发明的进一步限定，步骤1)具体为：选取所述AUV航迹中的一段，并假设AUV为匀速运动，回收坞上发射器的位置已知，由深度计测得AUV的深度信息，将AUV航迹中的一段与回收坞上声源发射器的位置信息放到二维平面上，形成一个二维平面关系图。
作为本发明的进一步限定，步骤2)中的方程组具体如下：设Ps点坐标为Ps(X0,Y0)，任取AUV航迹上的三个点p1(X1,Y1),p2(X2,Y2)和p3(x,y)，三个点与Ps点的距离分别为r1,r2,r3于是可得：
p1位置到p3位置的时间为t13，p2位置到p3位置的时间为t23，AUV的航向角为
于是得：
将式(2)代入式(1)，整理可得关于x,y的方程组
式中，
作为本发明的进一步限定，步骤3)具体包括：用泰勒级数展开后引入改进的高斯距离迭代算法进行迭代求解，式(3)可以看成是坐标(x,y)与已知坐标的距离函数，令
式中，i＝1,2,3；
改进的高斯距离迭代法步骤为：
STEP1：对式(5)给定初始值(a0,b0)，
STEP2：在(a0,b0)处进行泰勒展开，且x＝a0+Δa，y＝b0+Δb，(Δa,Δb)为步长略去高次项，取一阶近似项，可得展开式：
STEP3：再将式(6)带到式(3)，再进行最小二乘法求解，获得调整增量(Δa,Δb)，判断式(7)是否成立；
式中，δ为迭代阈值，若式(7)成立，停止迭代计算，则(a0,b0)为所求的解，否则更新步长(Δa,Δb)。
作为本发明的进一步限定，步骤4)具体包括：所述采用信赖域方法来更新步长，首先给定一个信赖域半径作为位移长度的上界，并以当前迭代点为中心以此上界为半径确定一个称之为信赖域的闭球区域；然后，通过求解这个区域内的信赖域子问题(目标函数的二次近似模型)的最优点来确定候选位移；若候选位移能使目标函数值有充分的下降量，则接受该候选位移作为新的位移，并保持或扩大信赖域半径，继续新的迭代；否则，说明二次模型与目标函数的近似度不够理想，需要缩小信赖域半径，再通过求解新的信赖域内的子问题得到新的候选位移。
本发明提出的基于改进的高斯距离迭代算法对接回收异步导航方法，是将AUV的航迹分割成若干条连接的直线段，初始直线段的初始点已知，在每条直线上的每个位置点测得AUV到声源发射器的距离，然后利用航位推算将每个位置点的坐标替换成待求的位置点的坐标，从而得到一个关于待求的位置点的坐标的方程组。由于每个点的距离不同，测距精度也不同，而且在进行航位推算时，会产生速度和位置的误差，针对这两类误差，用泰勒级数展开进行线性化，设定AUV的位置初始值和迭代阈值，用最小二乘法求出AUV位置的修正量，将修正量与迭代阈值进行比较，若修正量小于迭代阈值则停止迭代，否则采用信赖域的方法来更新步长继续迭代。从而求出该直线段的最后一个点的坐标，作为下一直线段的初始点，再重复以上步骤进行迭代；SINS/USBL/DVL/深度计组合导航系统采用改进的高斯测距算法和改进的基于斜距的模型，使得导航定位误差减小、精度及稳定性得到提升，使得AUV回收的成功率得到提升。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明采用的改进的高斯距离迭代算法相对于其他距离迭代算法来说，在外界干扰强、环境尺度大的情况下对AUV对接回收自主导航的鲁棒性、稳定性和准确性都更好；
2.所采用的改进的高斯距离迭代算法，在普通的距离迭代算法上引入高斯算法，避免矩阵可能存在奇异值导致无法求解的情况，防止在水下执行任务的AUV产生巨大误差；
3.所采用的改进的高斯距离迭代算法结合信赖域法来更新步长，通过求解这个区域内的信赖域子问题(目标函数的二次近似模型)的最优点来确定候选位移，准确地找寻最优点，并得到最优候选位移。
附图说明
图1是本发明AUV回收对接流程框图。
图2是本发明AUV整体航迹分段图。
图3是本发明部分航迹改进的高斯距离迭代算法原理图。
图4是本发明改进的高斯距离迭代算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，直线归位阶段1，这个阶段是指回收装置5用超短基线定位到AUV自主航行器6开始，到达直线跟踪点2，从而进入直线跟踪阶段3的跟踪过程；利用超短基线提供的相对位置、姿态信息来调整AUV与回收装置的位置，使得在消耗较短对接中轴线距离的情况下，将AUV航行至中轴线7上，使AUV的姿态与中轴线一致，从而进入艏向调整阶段4，利于进一步实时对接。
如图2所示，为本发明AUV对接回收自主导航中AUV整体航迹分段图。
如图3所示，选取AUV航迹中的一段，并假设AUV为匀速运动，回收坞上发射器的位置已知，由深度计测得AUV的深度信息，将AUV航迹中的一段与回收坞上声源发射器的位置信息放到二维平面上，形成一个二维平面关系图，设回收坞Ps点坐标为Ps(X0,Y0)，任取AUV航迹上的三个点p1(X1,Y1),p2(X2,Y2)和p3(x,y)，三个点与Ps点的距离分别为r1,r2,r3，AUV的航向角为
如图4所示，为本发明AUV对接回收自主导航中改进的高斯距离迭代算法流程图。
步骤1：将AUV的航迹分割成若干条连接的直线段，初始直线段的初始点已知，在每条直线上的每个位置点测得AUV到声源发射器的距离。将AUV的航迹规划成一条条连接起来的直线段，选取AUV航迹中的一段，并假设AUV为匀速运动，回收坞上发射器的位置已知，由深度计测得AUV的深度信息，将AUV航迹中的一段与回收坞上声源发射器的位置信息放到二维平面上，形成一个二维平面关系图。
步骤2：设Ps点坐标为Ps(X0,Y0)，任取AUV航迹上的三个点p1(X1,Y1),p2(X2,Y2)和p3(x,y)，三个点与Ps点的距离分别为r1,r2,r3于是可得：
p1位置到p3位置的时间为t13，p2位置到p3位置的时间为t23，AUV的航向角为
于是得：
将式(2)代入式(1)，整理可得关于x,y的方程组
式中，
步骤3：将式(3)写成矩阵形式，并用最小二乘法求解，由于矩阵可能存在奇异的情况，导致无法求解；本文引入改进的高斯距离迭代算法进行迭代求解，式(3)可以看成是坐标(x,y)与已知坐标的距离函数，令
式中，i＝1,2,3。
改进的高斯距离迭代法步骤为：
STEP1：对式(5)给定初始值(a0,b0).
STEP2：在(a0,b0)处进行泰勒展开，且x＝a0+Δa，y＝b0+Δb，(Δa,Δb)为步长略去高次项，取一阶近似项，可得展开式：
STEP3：再将式(6)带到式(3)，再进行最小二乘法求解，获得调整增量(Δa,Δb)，判断式(7)是否成立。
式中δ为迭代阈值，若式(7)成立，停止迭代计算，则(a0,b0)为所求的解，否则更新步长(Δa,Δb)。
步骤4：采用信赖域方法来更新步长，首先给定一个信赖域半径作为位移长度的上界，并以当前迭代点为中心以此上界为半径确定一个称之为信赖域的闭球区域；然后，通过求解这个区域内的信赖域子问题(目标函数的二次近似模型)的最优点来确定候选位移；若候选位移能使目标函数值有充分的下降量，则接受该候选位移作为新的位移，并保持或扩大信赖域半径，继续新的迭代；否则，说明二次模型与目标函数的近似度不够理想，需要缩小信赖域半径，再通过求解新的信赖域内的子问题得到新的候选位移。
步骤5：循环执行STEP2、STEP3进行新一轮的迭代计算，直到式(7)满足为止。取计算出的直线段的末端点作为下一直线段的起始点，继续进行下一直线段的迭代计算。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，其特征在于，包含下列步骤：
1)将AUV的航迹分割成若干条连接的直线段，初始直线段的初始点已知，再用超短基线系统的测距法和测向法求出直线段上一点的坐标；
2)已知两点的坐标，然后利用航位推算将每个位置点的坐标替换成待求的位置点的坐标，从而得到一个关于待求的位置点的坐标的方程组；
3)针对步骤2)方程组计算过程中产生误差用泰勒级数展开进行线性化，设定AUV的位置初始值和迭代阈值，用最小二乘法求出AUV位置的修正量，将修正量与迭代阈值进行比较，若修正量小于迭代阈值则停止迭代；
4)若修正量大于迭代阈值，则采用信赖域的方法来更新步长继续迭代；
5)求出该直线段的最后一个点的坐标，作为下一直线段的初始点，再重复以上步骤进行迭代。
2.如权利要求1所述的基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，其特征在于，步骤1)具体为：选取所述AUV航迹中的一段，并假设AUV为匀速运动，回收坞上发射器的位置已知，由深度计测得AUV的深度信息，将AUV航迹中的一段与回收坞上声源发射器的位置信息放到二维平面上，形成一个二维平面关系图。
3.如权利要求2所述的基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，其特征在于，步骤2)中的方程组具体如下：设Ps点坐标为Ps(X0,Y0)，任取AUV航迹上的三个点p1(X1,Y1),p2(X2,Y2)和p3(x,y)，三个点与Ps点的距离分别为r1,r2,r3于是可得：
p1位置到p3位置的时间为t13，p2位置到p3位置的时间为t23，AUV的航向角为
于是得：
将式(2)代入式(1)，整理可得关于x,y的方程组
式中，
4.如权利要求3所述的基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，其特征在于，步骤3)具体包括：用泰勒级数展开后引入改进的高斯距离迭代算法进行迭代求解，式(3)可以看成是坐标(x,y)与已知坐标的距离函数，令
式中，i＝1,2,3；
改进的高斯距离迭代法步骤为：
STEP1：对式(5)给定初始值(a0,b0)，
STEP2：在(a0,b0)处进行泰勒展开，且x＝a0+Δa，y＝b0+Δb，(Δa,Δb)为步长略去高次项，取一阶近似项，可得展开式：
STEP3：再将式(6)带到式(3)，再进行最小二乘法求解，获得调整增量(Δa,Δb)，判断式(7)是否成立；
式中，δ为迭代阈值，若式(7)成立，停止迭代计算，则(a0,b0)为所求的解，否则更新步长(Δa,Δb)。
5.如权利要求4所述的基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法，其特征在于，步骤4)具体包括：所述采用信赖域方法来更新步长，首先给定一个信赖域半径作为位移长度的上界，并以当前迭代点为中心以此上界为半径确定一个称之为信赖域的闭球区域；然后，通过求解这个区域内的信赖域子问题(目标函数的二次近似模型)的最优点来确定候选位移；若候选位移能使目标函数值有充分的下降量，则接受该候选位移作为新的位移，并保持或扩大信赖域半径，继续新的迭代；否则，说明二次模型与目标函数的近似度不够理想，需要缩小信赖域半径，再通过求解新的信赖域内的子问题得到新的候选位移。
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