CN113108781B - 一种应用于无人船行进间的改进粗对准方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及无人船测绘技术领域,尤其涉及一种应用于无人船行进间的改进粗对准方法。
背景技术
捷联惯性导航系统的粗对准,就是在一定的时间内,得到一个近似的姿态矩阵为后续的精对准工作做准备。在海上工作时,无人船受风浪流等海况条件的影响,将做六自由度运动:横摇、纵摇、艏摇、垂荡、纵荡、横荡等,无人船不再属于传统意义上的静基座条件。同时,由于工作的需要,无人船可能从被母船投放开始,就要进行航行作业,除外界因素造成的干扰线速度、干扰加速度外,还存在自身的线速度、加速度。综合考虑,不同于单纯的静止或摇摆,无人船的运动可以被视为行进加摇摆的复合运动,对该运动状态下无人船的粗对准进行研究具有一定的现实意义。
国内外对于粗对准技术的研究已经经历了一段漫长的时间。最经典的解析式粗对准利用重力加速度和地球自转角速度在不同坐标系的投影估算姿态矩阵当载体存在摇摆时无法从陀螺输出提取到地球自转角速度,解析式粗对准不再适用。为解决此问题,惯性系粗对准被提出,但惯性系粗对准假定加速度计的输出只有重力加速度、干扰加速度、加速度计常值偏置,未考虑载体存在运动的情况。针对行进间动基座的对准,国内也提出了很多方法,其中被广泛采用的是外速度参考辅助行进间对准,为保证对准精度,通过滤波器或罗经水平对准对速度进行平滑,增加了粗对准的工作量。在此基础上,为解决无人船行进间对准的问题,本文提出一种变化存储窗口长度的改进惯性系粗对准方法,提高了对准的精度和稳定性。
发明内容
发明目的:针对以上问题,本发明提出一种应用于无人船行进间的改进粗对准方法,适用于无人船受海况影响做六自由度运动,同时因航行需求存在线速度和加速度的情况,可有效提高对准的精度和稳定性。
技术方案:为实现本发明的目的,本发明所采用的技术方案是:一种应用于无人船行进间的改进粗对准方法,包括以下步骤:
S3,依据INS比力方程,利用已有信息,进行速度vib0的更新;
S5,根据采样次数,调整窗口的长度,选取不同的窗口位置构造初始时刻载体坐标系即b0系和初始时刻惯性坐标系即i0系的对应矢量;
其中,是当前时刻载体坐标系即b系到初始时刻载体坐标系即ib0系的变换矩阵;是当前时刻载体坐标系即b系相对于初始时刻载体坐标系即ib0系的转动角速度,假定在采样间隔Δt=tn+1-tn内,角速度矢量的方向不发生变化,可得微分方程的解为:
作为本发明进一步改进,所述步骤S3进一步包括:
S31,推导比力方程,所述比力方程为:
其中vn是无人船导航坐标系即n系速度,是导航坐标系即n系相对于惯性坐标系即i系的转动角速度,是地理坐标系即e系相对惯性坐标系即i系的角速度在导航坐标系即n系投影,fn是无人船加速度在导航坐标系即n系的投影,gn是重力矢量在导航坐标系即n系的投影;
S32,推导初始时刻惯性坐标系即i0系与初始时刻载体坐标系即ib0系对应矢量的转换关系,所述矢量转换关系为:
S33,推导速度vib0的更新方程,所述更新方程为:
S34,根据现有信息对vib0进行更新并存储,其中,和可由陀螺仪和加速度计的输出得到,对于其他项,若当前采样时间,尚未得到矩阵的估计值,忽略项,利用无人船加速度估算无人船的速度vb用于矩阵的估计;若已经由前面步骤得到矩阵的估计值,利用进行速度信息和角速度信息的转换应用于vib0的估计更新;
作为本发明进一步改进,所述步骤S4进一步包括:
S41,推导了vi0的更新方程,所述更新方程为:
作为本发明进一步改进,所述步骤S5进一步包括:
S51,根据采样次数调整存储数据窗口的长度,IMU采样时间间隔一定,采样次数与实时采样时间有关,更新存储数据窗口的长度,使其始终对应开始对准时间到实时采样时间;
S52,选取窗口最后数据vib0(tk2)、vi0(tk2)和窗口中间数据vib0(tk1)、vi0(tk1)进行初始时刻载体坐标系即b0系和初始时刻惯性坐标系即i0系对应矢量的构造,对应矢量为vib0(tk1)、vib0(tk1)×vib0(tk2)、vib0(tk1)×vib0(tk2)×vib0(tk1)和vi0(tk1)、vi0(tk1)×vi0(tk2)、vi0(tk1)×vi0(tk2)×vi0(tk1)。
作为本发明进一步改进,所述步骤S6进一步包括:
S63,对无人船的三个姿态角进行解算,解算公式为:
其中,R为横滚角,P为纵摇角,H为航向角。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(2)以往的外速度辅助行进间对准多采用里程计差分获得这样必然会带来很大的噪声。本算法利用GPS能够提供精度较高的位置信息和速度信息,利用估算的矩阵将GPS提供的导航坐标系速度vn转换为载体坐标系速度vb,迭代进行矩阵的估算,减少因测量带来的噪声干扰。
附图说明
图1为本发明的应用于无人船行进间的改进粗对准算法流程图;
图2为利用不同信息更新速度vib0的示意图;
图3为存储数据的窗口长度改变的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明提出一种应用于无人船行进间的改进粗对准方法,适用于无人船受海况影响做六自由度运动,同时因航行需求存在线速度和加速度的情况,可有效提高对准的精度和稳定性。
如图1所示,本发明的应用于无人船行进间的改进粗对准算法,具体步骤如下:
S3,依据INS比力方程,利用已有信息,进行速度vib0的更新。
根据现有信息对vib0进行更新并存储。其中,和可由陀螺仪和加速度计的输出得到。对于其他项,若当前采样时间,尚未得到矩阵的估计值,忽略项,利用无人船加速度估算无人船的速度vb用于矩阵的估计;若已经由前面步骤得到矩阵的估计值,利用进行速度信息和角速度信息的转换应用于vib0的估计更新。
S5,根据采样次数,调整窗口的长度,选取不同的窗口位置构造初始时刻载体坐标系(b0系)和初始时刻惯性坐标系(i0系)的对应矢量。
IMU的采样时间间隔一定,采样次数与实时采样时间成正比,对存储数据的窗口长度进行更新,窗口始终对应开始对准时间到实时采样时间。
构造初始时刻载体坐标系(b0系)和初始时刻惯性坐标系(i0系)的对应矢量:
vib0(tk1)vi0(tk1)
vib0(tk1)×vib0(tk2)vi0(tk1)×vi0(tk2)
vib0(tk1)×vib0(tk2)×vib0(tk1)vi0(tk1)×vi0(tk2)×vi0(tk1)
具体实例:
为了验证本发明算法的有效性,进行相关仿真验证。设置360s的仿真时间,无人船的航速设置为4m/s,仿真过程中无人船的横摇角、纵摇角、航向角持续存在周期性的震荡,同时存在垂荡、横荡、纵荡三个方向的干扰线速度。仿真结果表明,在设定仿真时间内,横摇角对准精度可达6′,纵摇角对准精度可达5′,方向角对准精度可达30′,精度和稳定性满足粗对准的要求。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作任何其他形式的限制,而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化,仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种应用于无人船行进间的改进粗对准方法,其特征在于,包括以下步骤:
其中,是当前时刻载体坐标系即b系到初始时刻载体坐标系即ib0系的变换矩阵;是当前时刻载体坐标系即b系相对于初始时刻载体坐标系即ib0系的转动角速度,假定在采样间隔Δt=tn+1-tn内,角速度矢量的方向不发生变化,可得微分方程的解为:
S3,依据INS比力方程,利用已有信息,进行速度vib0的更新;
所述步骤S3进一步包括:
S31,推导比力方程,所述比力方程为:
其中vn是无人船导航坐标系即n系速度,是导航坐标系即n系相对于惯性坐标系即i系的转动角速度,是地理坐标系即e系相对惯性坐标系即i系的角速度在导航坐标系即n系投影,fn是无人船加速度在导航坐标系即n系的投影,gn是重力矢量在导航坐标系即n系的投影;
S32,推导初始时刻惯性坐标系即i0系与初始时刻载体坐标系即ib0系对应矢量的转换关系,所述矢量转换关系为:
S33,推导速度vib0的更新方程,所述更新方程为:
S34,根据现有信息对vib0进行更新并存储,其中,和可由陀螺仪和加速度计的输出得到,对于其他项,若当前采样时间,尚未得到矩阵的估计值,忽略项,利用无人船加速度估算无人船的速度vb用于矩阵的估计;若已经由前面步骤得到矩阵的估计值,利用进行速度信息和角速度信息的转换应用于vib0的估计更新;
所述步骤S4进一步包括:
S41,推导了vi0的更新方程,所述更新方程为:
S5,根据采样次数,调整窗口的长度,选取不同的窗口位置构造初始时刻载体坐标系即b0系和初始时刻惯性坐标系即i0系的对应矢量;
所述步骤S5进一步包括:
S51,根据采样次数调整存储数据窗口的长度,IMU采样时间间隔一定,采样次数与实时采样时间有关,更新存储数据窗口的长度,使其始终对应开始对准时间到实时采样时间;
S52,选取窗口最后数据vib0(tk2)、vi0(tk2)和窗口中间数据vib0(tk1)、vi0(tk1)进行初始时刻载体坐标系即b0系和初始时刻惯性坐标系即i0系对应矢量的构造,对应矢量为vib0(tk1)、vib0(tk1)×vib0(tk2)、vib0(tk1)×vib0(tk2)×vib0(tk1)和vi0(tk1)、vi0(tk1)×vi0(tk2)、vi0(tk1)×vi0(tk2)×vi0(tk1);
所述步骤S6进一步包括:
S63,对无人船的三个姿态角进行解算,解算公式为:
其中,R为横滚角,P为纵摇角,H为航向角;
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