專(zhuān)利名稱(chēng)：水下機(jī)器人的面地形匹配導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種導(dǎo)航，具體地說(shuō)是水下導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
水下機(jī)器人作為海洋工程和機(jī)器人學(xué)科的交叉領(lǐng)域，得到了世界各國(guó)的高度重視。在水下機(jī)器人技術(shù)的研究中，如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航程高精度的水下導(dǎo)航是水下機(jī)器人研究技術(shù)的一項(xiàng)重點(diǎn)和難點(diǎn)?，F(xiàn)有水下機(jī)器人的水下導(dǎo)航定位方法包括水聲學(xué)導(dǎo)航、航位推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等。水聲學(xué)導(dǎo)航雖然可以實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的長(zhǎng)期水下作業(yè)，但其需要布置聲學(xué)基陣，不利于水下機(jī)器人的獨(dú)立作業(yè)任務(wù)，且導(dǎo)航范圍受限。航位推算導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)短時(shí)間定位精度較聞，但其誤差的定位誤差隨時(shí)間積累，需要定期上浮接收GPS進(jìn)行修正，不利于AUV水下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不使用GPS等外部傳感器、實(shí)現(xiàn)水下長(zhǎng)時(shí)間精確導(dǎo)航的水下機(jī)器人的面地形匹配導(dǎo)航方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明水下機(jī)器人的面地形匹配導(dǎo)航方法，其特征是(I)開(kāi)啟多波束聲納、聲速剖面儀、深度計(jì)分別采集測(cè)深數(shù)據(jù)、聲速剖面數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)；(2)結(jié)合聲速剖面數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間濾波處理，然后融和深度數(shù)據(jù)，得到用于匹配的面地形數(shù)據(jù)；(3)從慣性導(dǎo)航裝置接收當(dāng)前慣性導(dǎo)航，從而推算出的水下機(jī)器人大致位置信息；(4)根據(jù)慣性導(dǎo)航裝置提供的水下機(jī)器人大致位置信息從電子海圖中提取可供地形匹配的局部位置的海圖數(shù)據(jù)；(5)利用極大似然估計(jì)公式在步驟4中提取的海圖數(shù)據(jù)中找到最大的似然函數(shù)值作為最佳定位點(diǎn)；(6)針對(duì)最佳定位點(diǎn)判斷是否存在偽峰值點(diǎn)，若存在，引入費(fèi)希爾判據(jù)去除偽點(diǎn)，得到并輸出位置的最佳估計(jì)；若不存在，直接輸出最佳定位點(diǎn)為位置的最佳估計(jì)。本發(fā)明還可以包括1、所述的測(cè)深數(shù)據(jù)由聲脈沖即ping組成,取4 10個(gè)ping。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于本發(fā)明無(wú)需上浮接收GPS信號(hào)，無(wú)需布設(shè)外部聲納基陣，依靠?jī)?nèi)部傳感器即可完成水下精確導(dǎo)航，返回值為導(dǎo)航數(shù)據(jù)，可以直接運(yùn)用于水下機(jī)器人作業(yè)。


圖1為水下機(jī)器人的面地形匹配導(dǎo)航的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為地形匹配計(jì)算機(jī)的密封結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1 3，水下機(jī)器人線地形匹配的裝置的組成包括聲速剖面儀1、水壓深度計(jì)2、PC/104計(jì)算機(jī)3、PC/104總線AD采集卡4、PC/104總線串口板5、慣性導(dǎo)航裝置6、主控計(jì)算機(jī)7、多波束聲納8。同時(shí)結(jié)合圖2，PC/104計(jì)算機(jī)3、PC/104總線AD采集卡4和PC/104總線串口板5通過(guò)總線插接，一起密封于PC/104計(jì)算機(jī)水密外殼9中，PC/104計(jì)算機(jī)水密外殼上設(shè)置四個(gè)水密插頭，水密插頭10將聲速剖面儀I和PC/104總線串口板5相連接，水密插頭11將壓力深度計(jì)2和PC/104總線AD采集卡4相連接，水密插頭12引出連線三根，將PC/104計(jì)算機(jī)3與控制艙主控計(jì)算機(jī)7通過(guò)RS-232串行通信聯(lián)結(jié)，水密插頭13將多波束聲納8與PC/104通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信連接。將PC/104計(jì)算機(jī)、PC/104總線AD采集卡和PC/104總線串口板通過(guò)總線插接，和慣性導(dǎo)航裝置一起密封于PC/104計(jì)算機(jī)水密外殼中。將面地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)與主控計(jì)算機(jī)聯(lián)接。面地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)上電，程序自啟動(dòng)。啟動(dòng)3個(gè)任務(wù)。任務(wù)1:匹配程序初始化，接收初始位置數(shù)據(jù)，多波束聲納、聲速剖面儀和深度計(jì)初始化處于待機(jī)狀態(tài)，啟動(dòng)慣性導(dǎo)航裝置。任務(wù)2 :建立串口數(shù)據(jù)檢測(cè)線程，等待主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的導(dǎo)航修正命令。任務(wù)3 :任務(wù)3為主任務(wù)，機(jī)制為激發(fā)響應(yīng)，主控計(jì)算機(jī)導(dǎo)航修正命令到達(dá)，啟動(dòng)多波束聲納和深度計(jì)采集面地形數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)聲速剖面儀采集的聲速數(shù)據(jù)，修正多波束聲納采集的面地形數(shù)據(jù)。通過(guò)慣性導(dǎo)航裝置確定海圖的匹配范圍，利用貝葉斯估計(jì)的方法，將采集到的面地形與海圖進(jìn)行比較，確定水下機(jī)器人所在的精確位置。將計(jì)算出的當(dāng)前導(dǎo)航位置修正信息，反饋給主控計(jì)算機(jī)，完成導(dǎo)航修正。具體的方法流程如下I)主控制計(jì)算機(jī)下達(dá)導(dǎo)航修正命令，開(kāi)啟多波束聲納采集測(cè)深數(shù)據(jù)、聲速剖面儀數(shù)據(jù)和深度計(jì)數(shù)據(jù)。其中測(cè)深數(shù)據(jù)由多個(gè)聲脈沖(Ping)組成，考慮計(jì)算量的影響，一般取4到 10 個(gè) ping。2)多波束聲納采集到的測(cè)深數(shù)據(jù)，結(jié)合聲速剖面儀數(shù)據(jù)并對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間濾波處理，融和深度計(jì)數(shù)據(jù)，可用于匹配的面地形數(shù)據(jù)。3)從慣性導(dǎo)航裝置接收當(dāng)前慣性導(dǎo)航對(duì)算出的水下機(jī)器人大致位置信息。4)根據(jù)慣性導(dǎo)航裝置提供的水下機(jī)器人大致位置信息從電子海圖中提取可供地形匹配的局部位置的海圖數(shù)據(jù)。5)利用極大似然估計(jì)公式在步驟4中提取的海圖數(shù)據(jù)中找到最大的似然函數(shù)值作為最佳定位點(diǎn)。6)判斷是否存在偽峰值點(diǎn)，若存在，引入費(fèi)希爾判據(jù)去除偽點(diǎn)，得到位置的最佳估計(jì)；若不存在，直接輸出最佳定位點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.水下機(jī)器人的面地形匹配導(dǎo)航方法，其特征是 (1)開(kāi)啟多波束聲納、聲速剖面儀、深度計(jì)分別采集測(cè)深數(shù)據(jù)、聲速剖面數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)； (2)結(jié)合聲速剖面數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間濾波處理，然后融和深度數(shù)據(jù)，得到用于匹配的面地形數(shù)據(jù)； (3)從慣性導(dǎo)航裝置接收當(dāng)前慣性導(dǎo)航，從而推算出的水下機(jī)器人大致位置信息； (4)根據(jù)慣性導(dǎo)航裝置提供的水下機(jī)器人大致位置信息從電子海圖中提取可供地形匹配的局部位置的海圖數(shù)據(jù)； (5)利用極大似然估計(jì)公式在步驟4中提取的海圖數(shù)據(jù)中找到最大的似然函數(shù)值作為最佳定位點(diǎn)； (6)針對(duì)最佳定位點(diǎn)判斷是否存在偽峰值點(diǎn)，若存在，引入費(fèi)希爾判據(jù)去除偽點(diǎn)，得到并輸出位置的最佳估計(jì)；若不存在，直接輸出最佳定位點(diǎn)為位置的最佳估計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下機(jī)器人的面地形匹配導(dǎo)航方法，其特征是所述的測(cè)深數(shù)據(jù)由聲脈沖即ping組成，取4 10個(gè)ping。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供水下機(jī)器人的面地形匹配導(dǎo)航方法，包括如下步驟啟動(dòng)多波束聲納和深度計(jì)采集面地形數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)聲速剖面儀采集的聲速數(shù)據(jù)，修正多波束聲納采集的面地形數(shù)據(jù)。通過(guò)慣性導(dǎo)航裝置確定海圖的匹配范圍，將采集到的面地形與海圖進(jìn)行比較，確定水下機(jī)器人所在的精確位置。將計(jì)算出的當(dāng)前導(dǎo)航位置修正信息，反饋給主控計(jì)算機(jī)，完成導(dǎo)航修正。本發(fā)明無(wú)需上浮接收GPS信號(hào)，無(wú)需布設(shè)外部聲納基陣，依靠?jī)?nèi)部傳感器即可完成水下精確導(dǎo)航，返回值為導(dǎo)航數(shù)據(jù)，可以直接運(yùn)用于水下機(jī)器人作業(yè)。
文檔編號(hào)G01C21/00GK103047983SQ20131001281
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者李曄, 陳鵬云, 陳小龍, 姜言清, 李一鳴, 吳琪, 蘇清磊 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)