CN112432645A - 深海潜航器下潜路径规划方法以及导航位置误差估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深海潜航器下潜路径规划方法以及导航位置误差估计方法，利用捷联惯导在AUV下潜过程中，使AUV做相应的运动轨迹，规划“8字型”下潜轨迹，控制水下潜航器较为简单，导航位置精度高。AUV下潜时“斜线下潜”或是“螺旋下潜”。“斜线下潜”的捷联惯导的会导致误差积累，其导航位置精度较差。“螺旋下潜”类似于单轴正转或单轴反转惯导系统，会引入旋转角速度，随时间积累引起较大位置误差。而本发明规划“8字型”下潜轨迹，避免了旋转惯导复杂的旋转结构，即节约成本，又提高可靠性。同时导航位置精度又高于采用传统下潜方式的捷联惯导的位置精度。

Description

深海潜航器下潜路径规划方法以及导航位置误差估计方法

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及深海潜航器下潜路径规划方法以及导航位置误差估计方法。

背景技术

随着国家对于深海资源的重视，深海考察和开发需要高科技手段，目前主要的工具是自主式水下潜器(AUV)。AUV依靠自身携带的动力及机器的智能自主航行，可以执行较高难度任务，AUV的应用发展离不开精确导航。导航系统决定了AUV是否可以安全作业及返回。因此，高精度导航定位是研究AUV的关键技术之一。AUV的定位和控制，很大程度上依赖于导航系统的性能。导航系统必须为AUV提供尽可能高的定位精度，以满足AUV深海考察的任务特点，并保证有效应用和安全回收。

导航系统的精度又决定于IMU惯性器件的精度，在惯性器件精度达到一定要求后，采用器件补偿惯性偏差的方法来进一步改善惯性系统的性能,实现更高精度导航，惯性器件的补偿方法有两种：一种是利用外界信息进行补偿校正；如多普勒测速仪、深度计及超短基线等。另一种是惯性器件偏差的自补偿。

旋转调制技术是一种自补偿方法。AUV误差补偿方式可以采用IMU所配备的转位机构的转动来提高导航精度。

因此在水下无人潜航器AUV下潜过程中，如何避免使用旋转惯导复杂的旋转结构，又能保证较高精度的导航位置，是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了深海潜航器下潜路径规划方法以及导航位置误差估计方法，能够避免旋转惯导复杂的旋转结构，即节约成本，又提高可靠性。同时导航位置精度又高于采用传统下潜方式的捷联惯导的位置精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：水下无人潜航器下潜路径规划方法，包括：

步骤一：水下无人潜航器AUV在下潜时任意行驶，记录航向值α后，以角速度ω下潜，改变所述水下无人潜航器AUV尾舵偏摆角，向左侧螺旋下潜。

步骤二：在所述水下无人潜航器AUV再次运行到航向值α时，改变所述水下无人潜航器AUV尾舵偏摆角，使其向右侧盘旋下潜。

步骤三、重复步骤一至步骤二，直到所述水下无人潜航器AUV达到作业地点，停止下潜，开始作业。

本发明另外一个实施例还提供了水下无人潜航器下潜路径的导航位置误差估计方法，水下无人潜航器采用如权利要求1所述的方法规划的下潜路径进行下潜，则下潜过程中导航位置的误差为：

其中

为下潜过程中由标度因数误差引起的陀螺输出误差；ΔK_gx、ΔK_gy、ΔK_gz分别为陀螺敏感x、y、z轴的标度因数；L表示当地纬度；ω_ie为地球自转角速率；t为时间参量；ω为角速度；T’为水下无人潜航器AUV执行步骤一和步骤二的时间和。

有益效果：

本发明利用捷联惯导在AUV下潜过程中，使AUV做相应的运动轨迹，规划“8字型”下潜轨迹，控制水下潜航器较为简单，导航位置精度高。AUV下潜时“斜线下潜”或是“螺旋下潜”。“斜线下潜”的捷联惯导的会导致误差积累，其导航位置精度较差。“螺旋下潜”类似于单轴正转或单轴反转惯导系统，会引入旋转角速度，随时间积累引起较大位置误差。而本发明规划“8字型”下潜轨迹，避免了旋转惯导复杂的旋转结构，即节约成本，又提高可靠性。同时导航位置精度又高于采用传统下潜方式的捷联惯导的位置精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的AUV“8字型下潜”水平投影示意图；

图2为本发明的具体实例的第一次逆时针跑车的位置误差；

图3为本发明的具体实例的第二次逆时针跑车的位置误差；

图4为本发明的具体实例的顺时针跑车GNSS轨迹图；

图5为本发明的具体实例的第一次“8字型”跑车的位置误差；

图6为本发明的具体实例的第二次“8字型”跑车的位置误差；

图7为本发明的具体实例的“8字型”跑车对应GNSS轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明通过规划AUV的下潜或上浮路径，提出的“8字型”下潜，其工作原理与单轴正反转的旋转惯导相同。其导航位置精度优于“螺旋下潜”和“斜线下潜”。

其原理如下：

考虑到AUV在水下是连续下潜运动，本文采用IMU单轴绕Z轴正反转连续旋转，模拟下潜过程，简化下潜过程，便于理论推导。

下面分析IMU连续一角速度ω绕Z轴正转的误差原理：

ε^b为陀螺零偏适量形式，

为陀螺零偏，

是IMU坐标系到载体坐标系的转换矩阵，t是运行时间。

IMU连续一角速度ω绕Z轴反转的误差原理：

ε^b为陀螺零偏适量形式，

为陀螺零偏，

是IMU坐标系到载体坐标系的转换矩阵，t是运行时间。

一个转动周期内，T’＝2T陀螺零偏引起的载体姿态角误差在导航坐标系下的表示形式为：

通过(1-3)式分析看出，IMU相对载体坐标系逆时针连续旋转过程中，旋转轴垂直方向上的陀螺零偏被调制成周期变化的量，经过整周期的积分作用后，不会引起姿态误差的积累；旋转轴方向上的陀螺零偏没有被调制，仍然按照原有的惯导规律进行解算。

以上推导过程考虑的只是较为理想情况，忽略了陀螺标度因数等因素的影响。

下面为便于分析，考虑单一变量对导航精度的影响。

IMU绕载体Z轴一恒定角速度ω匀速转动，因此3个陀螺的敏感轴只感受到地球自转角速度分量和IMU连续旋转的角速度，则t时刻3个陀螺敏感轴的理论输出为：

式中，L表示当地纬度，ω_ie为地球自转角速率ω_ie＝15.0411°/h。

t为时间参量；ω为角速度；

和

分别为陀螺敏感x、y、z轴的理论输出；

IMU逆时针连续旋转过程中，由于标度因数误差存在导致陀螺输出误差为

ΔK_gxΔK_gyΔK_gz分别为陀螺敏感x、y、z轴的标度因数；

任意时刻IMU坐标系与导航坐标系的转换矩阵表示为：

将标度因数误差引起的陀螺输出误差值转换到导航坐标系

将上式积分，经过整理积分得到

如果IMU反向旋转，经过整周期积分得到：

在“8字型”旋转方案中，一个转动周期为正转转动和反转转动的周期之和。即：

为了分析IMU旋转对惯性器标度因数误差的影响，推导未采用旋转调制技术的捷联惯导系统中陀螺标度因数误差经过整周期积分作用产生的姿态角误差：

对比式(1-4)、(1-5)、(1-6)、(1-7)可知，采用IMU单向连续转动的捷联系统出现旋转轴方向上的陀螺标度因数与旋转角速度的耦合项，该耦合项等效为方位陀螺零偏，随时间积累会激起惯导系统较大的定位误差。采用IMU连续正反转与未采用旋转的调制效果相同，不会引入影响导航系统的因素。

AUV在深海下潜过程中，自身携带的传感器如多普勒测速仪及超短基线及长基线等处于工作盲区，只能依靠IMU惯性器件的精度。通过规划AUV的下潜路径，提高导航系统位置的精度。规划AUV“8字型”下潜路径步骤如下，具体路径见示意图1：

步骤一：水下无人潜航器AUV在下潜时任意行驶，记录航向值α后，以角速度ω下潜，改变所述水下无人潜航器AUV尾舵偏摆角，向左侧螺旋下潜。

步骤二：在所述水下无人潜航器AUV再次运行到航向值α时，改变所述水下无人潜航器AUV尾舵偏摆角，使其向右侧盘旋下潜。

步骤三、重复步骤一至步骤二，直到所述水下无人潜航器AUV达到作业地点，停止下潜，开始作业。

本文采用的方法并不需要严格控制“8”字路径的完全对称，只需要保证AUV下潜的角速度变化范围不大即可。在路上模拟时，除去拐弯的位置，均是直线行驶。为验证上述理论的正确，进行场外模拟试验，在车上固联捷联惯导，分别跑两组。每组捷联惯导对准结束后，转为纯惯性组合。一组是一直绕逆时针旋转跑两次；一组是绕“8字型”旋转跑两次；并分别附上两次位置误差及GNSS轨迹图。其中图2是第一次逆时针跑车的位置误差；图3为第二次逆时针跑车的位置误差；图4为顺时针跑车GNSS轨迹图；图5为第一次“8字型”跑车的位置误差；图6为第二次“8字型”跑车的位置误差；图7为“8字型”跑车对应GNSS轨迹图。

由图可以看出，通过以上路径规划，提高了捷联惯导的导航位置精度，此方法也适用于AUV上浮过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.水下无人潜航器下潜路径规划方法，其特征在于，包括：

步骤一：水下无人潜航器AUV在下潜时任意行驶，记录航向值α后，以角速度ω下潜，改变所述水下无人潜航器AUV尾舵偏摆角，向左侧螺旋下潜；

步骤二：在所述水下无人潜航器AUV再次运行到航向值α时，改变所述水下无人潜航器AUV尾舵偏摆角，使其向右侧盘旋下潜；

步骤三、重复步骤一至步骤二，直到所述水下无人潜航器AUV达到作业地点，停止下潜，开始作业。

2.水下无人潜航器下潜路径的导航位置误差估计方法，其特征在于，水下无人潜航器采用如权利要求1所述的方法规划的下潜路径进行下潜，则下潜过程中导航位置的误差为：

其中

为下潜过程中由标度因数误差引起的陀螺输出误差；ΔK_gx、ΔK_gy、ΔK_gz分别为陀螺敏感x、y、z轴的标度因数；L表示当地纬度；ω_ie为地球自转角速率；t为时间参量；ω为角速度；T’为水下无人潜航器AUV执行步骤一和步骤二的时间和。

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