專利名稱：水下自主航行器auv自主定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下自主航行器(AUV)定位方法，屬于水下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。該發(fā)明同樣適用于水下無(wú)線傳感器節(jié) 點(diǎn)。
背景技術(shù)：
電磁波信號(hào)無(wú)法穿透水體，因此類似GPS等定位信號(hào)無(wú)法為AUV提供定位信息。同時(shí)目前AUV主要是單個(gè)應(yīng)用或者有限個(gè)應(yīng)用，協(xié)同定位方面并不是其研究重點(diǎn)。其主要定位技術(shù)是采用類似于“遙控”的遠(yuǎn)程聲波定位控制技術(shù)，例如LBL(long baseline)、SBL(short baseline) USBL(ultra short baseline)等聲控定位技術(shù)。此外還出現(xiàn)了借鑒GPS定位技術(shù)的水面浮標(biāo)(buoy)和水底錨標(biāo)(anchor)定位技術(shù)。但這些技術(shù)在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合都存在不足。例如，聲控方法有距離限制，并且當(dāng)聲控設(shè)備和AUV之間存在遮擋物時(shí)會(huì)無(wú)法傳遞聲學(xué)信號(hào)。而浮標(biāo)和錨標(biāo)方法必須事先在規(guī)劃工作區(qū)域鋪設(shè)定位標(biāo)識(shí)點(diǎn)，當(dāng)其長(zhǎng)期存在時(shí)，容易暴露目標(biāo)，不利于隱藏，并且其補(bǔ)充能量也是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而在AUV的某些應(yīng)用中，其工作區(qū)域無(wú)法提前獲知，更無(wú)法事先布設(shè)定位參照點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是無(wú)需采用傳統(tǒng)的水面或者水底定位錨標(biāo)，讓高定位精確度的信息盡量擴(kuò)散，協(xié)助低定位精確度的節(jié)點(diǎn)提高定位精度。只要AUV的定位精確度滿足設(shè)定要求，則該AUV就可以一直滯留水下進(jìn)行工作，從而延長(zhǎng)在水中滯留工作的時(shí)間。AUV是在水下工作，不同于陸上系統(tǒng)，陸上節(jié)點(diǎn)的速度和航向基本不受風(fēng)力等外力干擾或者干擾甚微，可以忽略不計(jì)，水中航行的AUV受水流影響非常大。這會(huì)進(jìn)一步加劇儀器產(chǎn)生誤差的概率或者范圍。有時(shí)即使AUV本身保持靜止，水流也會(huì)慢慢將其推離原有位置。因此，完全依靠AUV自身攜帶的導(dǎo)航儀器在水下航行會(huì)慢慢失去精確定位，從而失去應(yīng)用價(jià)值。但水流也不是完全沒(méi)有規(guī)律的，在一定程度上具有連貫性，即是漸變的。所以在某種程度上我們可以依據(jù)前一段航行過(guò)程中水流對(duì)AUV定位精度的影響程度推斷下一個(gè)階段的影響程度。每個(gè)AUV在水下航行期間，由于無(wú)法預(yù)知追蹤儀器和水流對(duì)誤差造成的實(shí)時(shí)影響，所以我們無(wú)法預(yù)知AUV在水下航行時(shí)追蹤坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，但實(shí)用中又需要了解在儀器和水流共同影響下的坐標(biāo)準(zhǔn)確性量化指標(biāo)。為此，我們把坐標(biāo)精確度依據(jù)精確度指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，稱之為λ。剛剛獲取GPS信號(hào)的AUV，具有最高定位精度，而在水下航行的AUV，由于其只能依靠所攜帶的儀器導(dǎo)航，并且由于累積誤差和水流等因素的干擾，其精度會(huì)慢慢降低，
這個(gè)降低的過(guò)程受儀器誤差和水流的雙重影響。設(shè)計(jì)λ=(i* ( - d)來(lái)體現(xiàn)
這兩者對(duì)精度的影響。其中tn是當(dāng)前時(shí)間，tlu是此AUV上次坐標(biāo)更新的時(shí)間，N是正整數(shù)，tut是AUV坐標(biāo)更新的時(shí)間間隔，d(u,t)是AUV進(jìn)行坐標(biāo)更新時(shí)，更正后的坐標(biāo)與儀器追蹤所得坐標(biāo)之間的距離差，初始值為0，d(u,lu)是最新的兩次坐標(biāo)更新之間航行過(guò)的距離，這個(gè)值可以通過(guò)最近的兩次更新時(shí)的坐標(biāo)計(jì)算得出。為了防止出現(xiàn)除以O(shè)的情況，規(guī)定當(dāng)d(u,t)=O時(shí)d(u,lu) = I (當(dāng)AUV剛?cè)胨⒒蛘逜UV在某個(gè)位置保持不動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)d(u,t) = O的情況)，當(dāng)d(u,t) Φ O時(shí)d(u,lu)取實(shí)測(cè)值。定位精度λ的第一括號(hào)內(nèi)部分是迫使AUV的定位精度隨著其在水下航行時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，代表依靠?jī)x器導(dǎo)航的定位精度會(huì)越來(lái)越低。第二括號(hào)內(nèi)部分是考慮儀器誤差和水流導(dǎo)致的誤差對(duì)精度的綜合影響(因?yàn)樵贏UV航行過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，很難判斷出是儀器造成的還是水流造成的，所以把兩種誤差影響放在一起綜合考慮)。綜合誤差相對(duì)于航行距離的比值越大，則迫使定位精度λ下降越快。由于第二部分取決于綜合誤差和之前航行距離的比值，屬于后驗(yàn)值，因此其實(shí)質(zhì)是依靠之前已知的綜合誤差影響推斷當(dāng)前的綜合誤差范圍，這也是基于水流變化的漸變性。由于各AUV所攜帶儀器的精度不同、航行所在的水流不同、受水流影響造成的綜合誤差不同，因此一群協(xié)同工作的AUV其定位精度λ會(huì)各不相同。如果把定位精度看成溫度的話，則定位精度越高的AUV其“溫度”越高，那么我們的目標(biāo)就是讓高溫的節(jié)點(diǎn)對(duì)低溫的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加熱，只要某個(gè)節(jié)點(diǎn)能從周?chē)泥従幽抢铽@得足夠的“熱量”，能維持在設(shè)定“溫度”以上，那么該節(jié)點(diǎn)就不用上浮到水面上通過(guò)GPS “加到最熱”。基于以上原理，本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步驟一、為每個(gè)AUV設(shè)定目標(biāo)位置,然后讓AUV自主前往目標(biāo)位置工作，當(dāng)AUV入水前，由于可以得到精確的GPS定位信號(hào)，所以設(shè)定剛?cè)胨畷r(shí)各個(gè)AUV的定位精度λ = I;二、AUV下潛后，依靠自身所攜帶的導(dǎo)航儀器進(jìn)行定位，并朝向事先設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域航行；三、各AUV定期向周?chē)鷱V播其坐標(biāo)信息以及定位精度λ ;同時(shí)，當(dāng)某個(gè)AUV收到其他AUV的坐標(biāo)廣播時(shí)，會(huì)先根據(jù)聲波傳輸?shù)乃俣群偷竭_(dá)時(shí)間推算出兩者之間的距離d，將其坐標(biāo)、定位精度λ、以及兩者之間的距離記錄下來(lái)，存入鄰節(jié)點(diǎn)列表中；每個(gè)AUV保存的鄰節(jié)點(diǎn)列表內(nèi)容都有一定的有效期，超過(guò)有效期后如果沒(méi)有得到更新，則該項(xiàng)內(nèi)容作廢，對(duì)應(yīng)條目被清空；作為一種改進(jìn)，用戶預(yù)先設(shè)定一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)距離值，如果d小于用戶設(shè)定的鄰節(jié)點(diǎn)距離值，則將其坐標(biāo)、定位精度λ，以及兩者之間的距離記錄下來(lái)，否則不記錄。預(yù)先設(shè)定鄰節(jié)點(diǎn)距離值，主要是為了防止距離過(guò)大的兩個(gè)點(diǎn)互相設(shè)定為鄰節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槁暡ㄔ谒袀鬏數(shù)木嚯x越遠(yuǎn)，其信號(hào)越微弱，接收誤差越大，同時(shí)由于穿越的不同水環(huán)境影響造成速度變化越大，由傳播速度和TOA推算的d誤差越大。四、各AUV實(shí)時(shí)計(jì)算定位精度
權(quán)利要求
1.一種水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步驟 一、為每個(gè)AUV設(shè)定目標(biāo)位置,然后讓AUV自主前往目標(biāo)位置工作，當(dāng)AUV入水前，由于可以得到精確的GPS定位信號(hào)，所以設(shè)定剛?cè)胨畷r(shí)各個(gè)AUV的定位精度λ = I ; 二、AUV下潛后，依靠自身所攜帶的導(dǎo)航儀器進(jìn)行定位，并朝向事先設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域航行； 三、各AUV定期向周?chē)鷱V播其坐標(biāo)信息以及定位精度λ;同時(shí)，當(dāng)某個(gè)AUV收到其他AUV的坐標(biāo)廣播時(shí)，會(huì)先根據(jù)聲波傳輸?shù)乃俣群偷竭_(dá)時(shí)間推算出兩者之間的距離d，將其坐標(biāo)、定位精度λ、以及兩者之間的距離記錄下來(lái)，存入鄰節(jié)點(diǎn)列表中；每個(gè)AUV保存的鄰節(jié)點(diǎn)列表內(nèi)容都有一定的有效期，超過(guò)有效期后如果沒(méi)有得到更新，則該項(xiàng)內(nèi)容作廢，對(duì)應(yīng)條目被清空； 四、各AUV實(shí)時(shí)計(jì)算定位精度λ= (1 — a·*Cui) *(1 — d—汁Cftlir:)其中tn是當(dāng)前時(shí)間，tlu是' 1 1 ，此AUV上次坐標(biāo)更新的時(shí)間，N為任意正整數(shù)，tut是AUV坐標(biāo)更新的時(shí)間間隔，d(u,t)是AUV進(jìn)行坐標(biāo)更新時(shí)，更正后的坐標(biāo)和儀器追蹤坐標(biāo)之間的距離差，初始值為0，d(u,lu)是最新的兩次坐標(biāo)更新之間航行過(guò)的距離，為了防止出現(xiàn)除以O(shè)的情況，規(guī)定當(dāng)d(u,t) =O時(shí)d(u,lu)=I,當(dāng)d(u,t)古O時(shí)d(u,lu)取實(shí)測(cè)值；每當(dāng)AUV的定位精度λ低于限定值,或者至少三個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的定位精度高于自身，此AUV就會(huì)進(jìn)行坐標(biāo)更新，坐標(biāo)更新分三種情況 1)自身定位精度值λ低于設(shè)定限值 如果某個(gè)AUV判斷自己的定位精度λ低于設(shè)定值時(shí)，首先去查找自己的鄰節(jié)點(diǎn)列表，并選出λ值最高的三個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息；如果排第三高的鄰節(jié)點(diǎn)λ值高于其自身的λ值，則該節(jié)點(diǎn)嘗試?yán)枚ㄎ痪茸罡叩娜齻€(gè)鄰節(jié)點(diǎn)信息對(duì)自身坐標(biāo)及定位精度進(jìn)行更新，如果獲得解則更新自己的坐標(biāo)值，同時(shí)將λ更新為定位精度第三高的鄰節(jié)點(diǎn)的λ值；如果無(wú)解或排第三高的鄰節(jié)點(diǎn)λ值低于其自身的λ值，則放棄利用鄰節(jié)點(diǎn)更新，上浮獲取GPS坐標(biāo)校正，每次上浮獲取GPS坐標(biāo)值之后，將自身的λ重新設(shè)置為I ; 2)自身定位精度值λ不低于設(shè)定限值，但鄰節(jié)點(diǎn)中至少有三個(gè)點(diǎn)的定位精度高于其定位精度 這種情況下，此AUV也嘗試?yán)枚ㄎ痪茸罡叩娜齻€(gè)鄰節(jié)點(diǎn)信息對(duì)自身坐標(biāo)及定位精度進(jìn)行更新，如果獲得解則更新自己的坐標(biāo)值，同時(shí)將λ更新為定位精度第三高的鄰節(jié)點(diǎn)的λ值，如果無(wú)解則繼續(xù)自行導(dǎo)航、實(shí)時(shí)調(diào)整定位精度λ ； 3)自身定位精度值λ不低于設(shè)定限制，而且鄰節(jié)點(diǎn)中不存在至少三個(gè)點(diǎn)的定位精度聞?dòng)谄涠ㄎ痪? 這種情況下，此AUV繼續(xù)在水下工作、導(dǎo)航、實(shí)時(shí)調(diào)整定位精度λ。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種水下自主航行器AUV自主定位方法，其特征在于，在步驟三中，用戶預(yù)先設(shè)定一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)距離值，如果d小于用戶設(shè)定的鄰節(jié)點(diǎn)距離值，則將其坐標(biāo)、定位精度λ，以及兩者之間的距離記錄下來(lái)，否則不記錄。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種水下自主航行器AUV自主定位方法，其特征在于，根據(jù)定位精度最高的三個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)更新自己的坐標(biāo)值時(shí)，采用改進(jìn)的“三點(diǎn)坐標(biāo)定位法”假設(shè)待定位的AUV坐標(biāo)為(X，y, ζ)，輔助其定位的三個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為(X1, Y1, Z1)、(x2, y2, Z2)、(x3, y3, z3),待定位AUV到三個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的距離分別為(I1, d2, d3,對(duì)應(yīng)的定位精度值為入，λ1 λ2 λ 3,并且有A2 > A3 >入，則求解方程組
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步驟一、為每個(gè)AUV設(shè)定目標(biāo)位置，然后讓AUV自主前往目標(biāo)位置工作；二、AUV下潛后，由于追蹤儀器和水流對(duì)誤差造成的影響，定位精度會(huì)慢慢下降；三、各AUV定期向周?chē)鷱V播其坐標(biāo)信息以及坐標(biāo)精確度λ；四、各AUV實(shí)時(shí)計(jì)算定位精度，每當(dāng)AUV的坐標(biāo)精確度λ低于限定值，或者至少三個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)精度高于自身，此AUV就會(huì)進(jìn)行坐標(biāo)更新。本發(fā)明無(wú)需采用傳統(tǒng)的水面或者水底定位錨標(biāo)，可以延長(zhǎng)AUV在水中滯留工作的時(shí)間，并且為全分布式，無(wú)中心控制，無(wú)數(shù)量限制，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)限制，可以利用正常通訊信息搭載坐標(biāo)和精確度信息，有利于減少通訊量，技術(shù)成熟，運(yùn)算負(fù)擔(dān)輕。
文檔編號(hào)G01S19/40GK102914786SQ20121036120
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者張全新, 仲?gòu)? 王文明, 孫智, 李元章, 馬忠梅 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)