一種用於水下滑翔器的組合導航裝置及方法
2023-04-27 22:50:26
專利名稱：一種用於水下滑翔器的組合導航裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種用於水下滑翔器的組合導航裝置設計及方法，該裝置具有體積小、低功耗、長航時等特點，可實現水下滑翔器的準確定位和自主導航。
背景技術：
電子羅盤可分為平面電子羅盤和三維電子羅盤，比起平面羅盤，三維電子羅盤因其內部加入了傾角傳感器，克服了平面電子羅盤在使用中的嚴格限制，即使羅盤發生了傾斜，航向數據依然準確無誤。有的羅盤還內置了溫度補償，最大限度得減少傾斜角和指向角的溫度漂移。電子羅盤技術在國外應用比較多，但是在水下應用還存在一些問題。GPS技術在導航、定位、測速、定向方面有著廣泛的應用，但由於其信號常被地形、 地物遮擋，導致精度大大降低，甚至不能使用。尤其是在高樓林立城區和植被茂密的林區， GPS信號的有效性僅為60 %。該技術在國內外應用都比較廣泛，也比較成熟，但應用於海上潛水器的導航還沒有成熟的應用方案。以慣性導航為主與GPS、電子羅盤集成的組合導航系統在國內外陸用、航空、航天以及水面載體有著廣泛的應用，但水下滑翔器在水下工作時間很長，並且GPS信息在水下不能使用，單一慣性導航不能滿足定位要求，且由於水下滑翔器對功耗、體積和精度要求較高，從而在水下滑翔器中組合導航系統均未能得到較好應用。如何使GPS、電子羅盤、捷聯式慣性組合導航系統能利用三者的優勢，使系統整體性能達到最優，並能滿足水下滑翔器長航時、低功耗、小體積的要求，這種系統在國內、外均無報導。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，設計了一種新的水下滑翔器的組合導航裝置及方法，其算法克服了傳統組合導航系統由於誤差隨時間累積而不能準確長時間定位的欠缺，並採取智能導航工作模式切換、多源系統自適應匹配、濾波和智能導航定位優化算法，提供了可靠性更高也更精確的定位服務。再加上硬體設計和軟體優化，使得設備體積更小、功耗更低、航時更長，完成水下潛水器的自主導航和定位。本發明的技術解決方案為一種用於水下滑翔器的組合導航裝置，包括電子羅盤、 微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)、全球定位系統(GPS)接收模塊、數位訊號處理(DSP) 處理模塊；電子羅盤測量方位角得到航向信息；微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)測量姿態和航向變化，並藉助電子羅盤航向信息進行校正；全球定位系統(GPS)接收模塊則完成對水下滑翔器的水面定位、微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)的標定及校正；數位訊號處理(DSP)處理模塊完成對導航系統中各個模塊數據的轉化、處理，並將航向位置等數據輸出到水下滑翔器中心計算機，實現自主導航與定位。所述電子羅盤採用型號為ADIS16405，其內包括三軸陀螺，三軸加速度計，三軸磁力計。
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所述數位訊號處理(DSP)處理模塊採用型號為TMS320C5505。所述方法如下採用電子羅盤測量方位角得到航向信息；採用微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)測量姿態和航向變化，並藉助電子羅盤航向信息進行校正；採用全球定位系統(GPQ接收模塊則完成對水下滑翔器的水面定位、微機電系統慣性測量單元 (MEMS-IMU)的標定及校正；採用數位訊號處理(DSP)處理模塊完成對導航系統中各個模塊數據的轉化、處理，並將航向位置等數據輸出到水下滑翔器中心計算機，實現自主導航與定位。所述電子羅盤是由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和微控制單元(MCU)組成； 三維磁阻傳感器用來測量地球磁場；傾角傳感器是在羅盤隨著潛水體的傾斜而處於非水平狀態時，對羅盤進行傾角補償，保證了數據依然準確無誤；微控制單元(MCU)處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。一種用於水下滑翔器的組合導航裝置的方法，算法包括以下(1)初始時刻，GPS對導航測量單元包括三維電子羅盤、三軸加速度計和三軸陀螺進行初始校正，得到初始信息；電子羅盤提供載體的初始航向信息，通過傳遞對準給捷聯慣性導航系統以獲得初始的失準角信息，而微機電系統慣性測量單元測得的角速率和加速度信息由捷聯慣性導航系統導航姿態解算模塊來處理，導航姿態解算系統由角速率和加速度信息解算出載體的速度、位置及姿態信息；陀螺和加速度計分別用來測量載體的角運動和線運動信息，導航解算模塊根據這些測量信息建立姿態陣解算的數學平臺，從而解算出運動載體的航向、姿態、速度及位置；(2)在長時間運行時，採用電子羅盤的航向角信息來對MEME-SINS輸出的信息進行校正，相應的差值作為無跡卡爾曼濾波器的觀測量，經無跡卡爾曼濾波估計出的慣導參數誤差反饋到捷聯慣性導航系統導航解算模塊內，在力學編排方程中校正慣性傳感器的輸出，推算的速度和經緯度、建立的姿態矩陣數字平臺，將校正後的參數代入下一次運算；經過反饋校正後，捷聯慣性導航系統輸出的導航參數就是組合導航系統的輸出；(3)針對水下滑翔器的具體情況，利用航位推算原理，分析航位推算的誤差源，在其基礎上推導航位推算誤差方程，並應用航位推算誤差方程對初始誤差角、刻度因子和陀螺隨機常值漂移進行補償；對於電子羅盤，通過對軟鐵及硬鐵幹擾的分析和建模，提出應用分段補償的方法對其進行誤差補償；(4)水下滑翔器工作時間是以水下為主，隔段時間會上浮接收GPS信息，為了保證系統低功耗，在水上水下採取不同的算法水下採用AUKF算法；水上採用聯邦濾波算法；(5)採用水下滑翔器每次工作前首先進行靜止零位誤差校正；滑翔體在水中滑翔後浮出水面，首先進行靜止零位誤差校正，再利用航位推算位置誤差來計算初始航向誤差角的方法，對動態粗對準的初始航向角進行補償，完成動態精對準過程；(6)在陀螺、加速度計和電子羅盤等多傳感器數據中，採用新息法來剔除野值。本發明與現有技術相比的優點在於(1)應用於水下滑翔器基於電子羅盤、MEMS捷聯慣性系統與GPS的系統集成技術， 實現較簡單，體積較小、成本較低、易於優化；(2)本發明可智能切換導航工作模式和信息融合算法，採用組合系統的低功耗設計技術，使水下滑翔器更具有自主性、更合理地利用導航信息資源，適應環境能力強；(3)基於聯邦無跡卡爾曼濾波器與自適應無跡卡爾曼濾波器的導航和定位算法， 使得系統具有長航時性、高可靠性和高精度。
圖1為一種用於水下滑翔器的組合導航系統原理示意圖；圖2為捷聯式慣性導航系統原理圖；圖3為航位推算原理圖；圖4為理想原始測量數據獲取具體實施方案下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明圖1是水下滑翔器的組合導航系統原理示意圖，選用的新型IMU單元將三軸陀螺， 三軸加速度計，三軸高性能磁力計集成與一體，該單元體積小，集成度高，功耗低，帶有自校正和標定功能。在水下滑翔器放入水中之前，要首先用靜止零位誤差校正的方法對陀螺產生零位誤差進行校正。電子羅盤除了自帶的誤差補償外，還應利用GPS信息和分段補償的方法對其進行誤差補償。這樣就使導航測量單元(包括三維電子羅盤、三軸加速度計和三軸陀螺)得到精確的初始信息。圖4是理想原始測量數據信息獲取路徑，在經過對慣性器件標定並獲取理想原始信息的基礎上，設計基於捷聯狀態下的適合水下滑翔器運動環境的姿態測量算法。當滑翔器進入水下前行時，因水下的環境相對穩定，前行速度均勻，利用海流資料庫得出海流速度，推算出恆定的外在幹擾以用於後續的航位推算。水下只有電子羅盤和 MEMS-IMU單元進行工作，電子羅盤提供載體的初始航向信息，通過傳遞對準給捷聯慣性導航系統以獲得初始的失準角信息，而MEMS測得的角速率和加速度信息由SINS導航姿態解算模塊來處理，導航姿態解算系統由角速率和加速度信息解算出載體的速度、位置和姿態信息。陀螺和加速度計分別用來測量載體的角運動和線運動信息，導航解算模塊根據這些測量信息建立姿態陣解算的數學平臺，從而解算出運動載體的航向、姿態、速度及位置。由於慣性導航儀因陀螺的漂移存在隨時間積累的誤差，故在長時間運行時，採用電子羅盤的航向角信息來對MEMS-SINS輸出的信息進行校正，相應的差值作為卡爾曼濾波器的觀測量，經卡爾曼濾波估計出的慣導系統導航參數誤差反饋到SINS導航解算模塊內，在力學編排方程中校正慣性傳感器的輸出、推算的速度和經緯度、建立的姿態矩陣數字平臺，將校正後的參數代入下一次運算。因此，經過反饋校正後，慣導系統輸出的導航參數就是組合導航系統的輸出。 在水下只有MEMS-IMU和電子羅盤的作用，採用自適應UKF方式來進行濾波，但當滑翔器經過M小時浮到水面，接收到的GPS信號對MEMS-IMU進行校正，由於導航傳感器的增加，就需採用基於UKF的聯邦濾波算法處理多傳感器的信息融合來提高導航精度。這時導航系統處在動態環境下，要在短時間和複雜環境下對捷聯慣組進行動態高精度初始對準，利用GPS信息對MEMS捷聯慣性導航系統予以重新對準和校正的同時，還要利用航位推算位置誤差來計算初始航向誤差角的方法，對動態粗對準的初始航向角進行補償，通過信頁
息融合方法，完成動態精對準過程。在水下到水上，再到水下的過程中，由於傳感器的數量變化導致不同信息量的融合，為了降低功耗，提高系統的處理效率，採用切換式組合方式進行航位推算，即GPS模式和DR模式。對於陀螺、加速度計和電子羅盤等多傳感器信號數據中出現的野值，採用新息法來剔除這些野值，這種算法不再依賴於先驗的傳感器特性，而是通過每次濾波迭代的時候進行判斷，為了濾波的連續性，必須在野值被剔除後進行補值，利用對當前新息值加權的方法進行補值，減小新息對濾波精度的影響。本發明具體如下一種用於水下滑翔器的組合導航裝置及方法，其特點在於由 GPS接收模塊、MEMS-IMU單元及電子羅盤組合成的導航系統，根據不同環境自主重構組合方法，並融入最優算法，充分利用有限的導航數據實現高精度、高可靠性的水下滑翔體定位與導航，具體步驟如下(1)算法方面具體為(a)航位推算在MEMS捷聯姿態算法對準的基礎上，結合電子羅盤信息、GPS接收機輸出信息、海流數據等進行推算，它們當中任何一個精度出現誤差都會影響到航位推算的精度，這其中以MEMS陀螺和電子羅盤的影響最大，除航位推算系統外，海流、潮汐和風是影響航位推算的三個重要的因素。(b)海流資料庫的應用海流主要包括洋流、潮汐或潮流、風、湧、浪等。在近海航行或遠海航行時，掌握大洋海流的運動規律，準確估計其流向和流速是提高定位精度、減少事故、節省能源的重要手段。為了準確地計算或者估算海流的大小，還需要通過對一些固定目標進行觀測，對數據加以修正。(c)切換式組合的應用採用切換式組合方式的航位推算方案，切換式組合方案有兩種工作狀態GPS模式和航位推算(DR)模式，系統工作在何種模式取決於GPS信號的有效性和DOP精度因子。當滑翔器浮到水面時，系統工作在GPS模式，同時利用GPS的輸出數據，刷新DR系統的推算位置，對航位進行校正；一旦滑翔器潛入水中，GPS定位數據失效或DOP增大到預定的門限，則切換到DR模式。(d)如圖3，假設載體在tg時刻的位置為(Xh，y^，^)，行駛了 At(W1)時間，在、時刻到達位置(Xi，Ji, Zi)，在、時刻方位角為Ai,傾斜角為Ii,坐標位置可以表示為
Xi = X^1 +ALgpos 4 經 in Zij yt = yt_x + AL 經 in A1 經 in I1 .W1+ALgposTiVi = Vh+VV在圖3中的非水平段，位置除了有χ和y方向上的變化，還有ζ方向的變化，在水平段位置只有X和y方向上的變化。由於滑翔器是緩慢勻速前行，再結合海底環境，可以認為是相對穩定的環境下前行，所以可以將速度ν看成恆值，根據水下海流速度確定水下滑翔器的滑翔速度。前面(1)的(b)中提到了建立海流的資料庫，這樣就可假定在水下前行受到的阻力也是恆定值，採用一些白噪聲作為隨機幹擾Vv，推算出Vi。由以上可以得出位置和速度信息。(e)由導航傳感器本身的元件誤差和外界環境及算法引起的系統誤差是船位推算
7的誤差源。在元件誤差中，對陀螺影響較大的誤差主要是陀螺的常值誤差和陀螺漂移誤差， 在水下採用將電子羅盤和MEMS捷聯慣性導航系統輸出的兩個航向信息進行融合，用電子羅盤的信息估計陀螺誤差，不斷修正MEMS捷聯慣性導航系統輸出的航向。(f)電子羅盤的航向輸出極易受外界幹擾磁場的影響而使精度降低，本發明選用的新型組合導航單元內含了三維電子羅盤，其微處理器中內置了誤差補償算法，可以對電子羅盤受到的軟、硬磁幹擾進行補償，但效果有限。為了提高電子羅盤的定向精度，在使用前進行誤差補償。因電子羅盤誤差方程在整量程擬合曲線時，尾端出現較大誤差，所以將整個區域劃分為兩部分，前部分應用八位置最小二乘法進行誤差補償；後部分不考慮高次諧波項再構造另一誤差模型方程，在該部分取若干採樣點，將採樣點代入誤差方程，利用最小二乘法解算出誤差補償係數，再將誤差補償係數代入模型方程可得到磁航向角。(g)在實際水下導航過程中，由於數學模型本身的不確定性，再加上環境噪聲的影響，預測出來的結果帶有誤差。為了減小誤差，使得結果儘可能地接近真實值，需要進行補償。在傳統的卡爾曼濾波器的基礎上提出將自適應濾波和無跡卡爾曼濾波器(UKF)相結合的自適應UKF(AUKF)算法。採用方差調整的原則，將存在偏差的協方差矩陣進行自適應調整，以合理調整在濾波解中的作用。合理的自適應因子能平衡動力學模型信息與觀測信息的權比，而且能夠控制動力學模型誤差對導航參數解的影響。由於預測殘差能反映動力學模型的誤差量級。若觀測信息可靠，動力學模型也可靠，則由動力學模型預測的狀態參數， 並由狀態參數與觀測信息求得的預測殘差應該很小；反之，若觀測信息可靠，且預測殘差很大，則表明動力學模型誤差較大。如此可以依據預測殘差構造判別統計量。自適應因子能夠很好地抑制初始值偏差和動力學模型異常擾動誤差對導航解的影響，所以將自適應因子引入到UKF算法能夠很好地提高濾波器的性能。(h)在水下只有MEMS-IMU和電子羅盤的作用，採用上述方式來濾波，但當滑翔器浮到水面，接收GPS信號進行信息校正時，由於導航傳感器的增加，這時需採用新的濾波算法處理多傳感器的信息融合來提高導航精度。組合導航系統測量信息有冗餘，當某個敏感器性能下降，測量噪聲增大時，聯邦濾波算法通過調整動態分配因子，降低該子濾波器的置信度，從而保證主濾波器的高精度估計結果，確保了導航系統的精度。同時將UKF方法應用到聯邦濾波中，由於UKF避免了線性化引入的截斷誤差，所以基於UKF的聯邦濾波算法在觀測信息較少以及系統初始估計偏差較大時，仍能保持比傳統的EKF方法更高的精度，具有更好的魯棒性。(i)因每次的系統啟動而使陀螺產生零位誤差，採用水下滑翔器每次工作前首先進行靜止零位誤差校正的方法。算法如下
權利要求
1.一種用於水下滑翔器的組合導航裝置，其特徵在於包括電子羅盤、微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)、全球定位系統(GPS)接收模塊、數位訊號處理(DSP)處理模塊；電子羅盤測量方位角得到航向信息；微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)測量姿態和航向變化，並藉助電子羅盤航向信息進行校正；全球定位系統(GPS)接收模塊則完成對水下滑翔器的水面定位、微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)的標定及校正；數位訊號處理(DSP) 處理模塊完成對導航系統中各個模塊數據的轉化、處理，並將航向位置等數據輸出到水下滑翔器中心計算機，實現自主導航與定位。
2.根據權利要求1所述的一種用於水下滑翔器的組合導航裝置，其特徵在於所述電子羅盤採用型號為ADIS16405，其內包括三軸陀螺，三軸加速度計，三軸磁力計。
3.根據權利要求1所述的一種用於水下滑翔器的組合導航裝置，其特徵在於所述數位訊號處理(DSP)處理模塊採用型號為TMS320C5505。
4.一種如權利要求1所述的一種用於水下滑翔器的組合導航裝置的方法，其特徵在於所述方法如下採用電子羅盤測量方位角得到航向信息；採用微機電系統慣性測量單元 (MEMS-IMU)測量姿態和航向變化，並藉助電子羅盤航向信息進行校正；採用全球定位系統 (GPS)接收模塊則完成對水下滑翔器的水面定位、微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)的標定及校正；採用數位訊號處理(DSP)處理模塊完成對導航系統中各個模塊數據的轉化、 處理，並將航向位置等數據輸出到水下滑翔器中心計算機，實現自主導航與定位。
5.根據權利要求4所述的一種用於水下滑翔器的組合導航裝置的方法，其特徵在於所述電子羅盤是由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和微控制單元(MCU)組成；三維磁阻傳感器用來測量地球磁場；傾角傳感器是在羅盤隨著潛水體的傾斜而處於非水平狀態時，對羅盤進行傾角補償，保證了數據依然準確無誤；微控制單元(MCU)處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。
6.根據權利要求4所述的一種用於水下滑翔器的組合導航裝置的方法，其特徵在於， 算法包括以下(1)初始時刻，GPS對導航測量單元包括三維電子羅盤、三軸加速度計和三軸陀螺進行初始校正，得到初始信息；電子羅盤提供載體的初始航向信息，通過傳遞對準給捷聯慣性導航系統以獲得初始的失準角信息，而微機電系統慣性測量單元測得的角速率和加速度信息由捷聯慣性導航系統導航姿態解算模塊來處理，導航姿態解算系統由角速率和加速度信息解算出載體的速度、位置及姿態信息；陀螺和加速度計分別用來測量載體的角運動和線運動信息，導航解算模塊根據這些測量信息建立姿態陣解算的數學平臺，從而解算出運動載體的航向、姿態、速度及位置；(2)在長時間運行時，採用電子羅盤的航向角信息來對MEME-SINS輸出的信息進行校正，相應的差值作為無跡卡爾曼濾波器的觀測量，經無跡卡爾曼濾波估計出的慣導參數誤差反饋到捷聯慣性導航系統導航解算模塊內，在力學編排方程中校正慣性傳感器的輸出， 推算的速度和經緯度、建立的姿態矩陣數字平臺，將校正後的參數代入下一次運算；經過反饋校正後，捷聯慣性導航系統輸出的導航參數就是組合導航系統的輸出；(3)針對水下滑翔器的具體情況，利用航位推算原理，分析航位推算的誤差源，在其基礎上推導航位推算誤差方程，並應用航位推算誤差方程對初始誤差角、刻度因子和陀螺隨機常值漂移進行補償；對於電子羅盤，通過對軟鐵及硬鐵幹擾的分析和建模，提出應用分段補償的方法對其進行誤差補償；(4)水下滑翔器工作時間是以水下為主，隔段時間會上浮接收GPS信息，為了保證系統低功耗，在水上水下採取不同的算法水下採用AUKF算法；水上採用聯邦濾波算法；(5)採用水下滑翔器每次工作前首先進行靜止零位誤差校正；滑翔體在水中滑翔後浮出水面，首先進行靜止零位誤差校正，再利用航位推算位置誤差來計算初始航向誤差角的方法，對動態粗對準的初始航向角進行補償，完成動態精對準過程；(6)在陀螺、加速度計和電子羅盤等多傳感器數據中，採用新息法來剔除野值。
全文摘要
本發明公布了一種用於水下滑翔器的組合導航裝置及方法，裝置包括電子羅盤、微機電系統慣性測量單元、全球衛星系統接收模塊、數位訊號處理處理模塊。本發明採用MEMS陀螺、加速度計組成的姿態測量單元和電子羅盤集成為慣性組合導航與定位系統來與控制系統配合，使用DSP技術作為導航解算部件，經過在全溫範圍內對各傳感器進行降噪、溫度補償、非線性校正、交叉耦合補償及航位推算等多種算法，完成水下滑翔體的自主準確定位。本發明的優點在於體積小、集成度高、功耗低、長航時、成本低等，能迅速準確地得到水下滑翔器當前位姿信息，使它保持本體平衡，同時為其提供航跡和位置參數。
文檔編號G01C17/32GK102519450SQ20111041211
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者劉虎, 周智愷, 徐元, 陳熙源, 黃浩乾 申請人:東南大學