CN108680170A - 基于电磁波衰减原理的auv回坞导航***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***，包括：电磁波接收模块，搭载在AUV上，接收无线射频传感器发射的电磁波信号，并传输给电磁波信号分析模块；电磁信号分析模块，搭载在AUV上，将电磁波信号从模拟信号转换为数字信号，并传输给工控机；工控机，根据电磁波数字信号计算电磁波信号的强度，根据预设的导航方法对AUV进行回坞导航；水下无线传感器网络，布置在AUV回坞水域，包括若干发射频率不同的无线射频传感器。本发明还公开了基于所述AUV回坞导航***进行回坞导航的方法。本发明的AUV回坞导航***能够实现小范围内的高精度导航，同时不受水质、环境噪声等的影响。

Description

基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***及方法
技术领域
本发明涉及水下航行器回收对接技术领域，尤其涉及一种基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***及方法。
背景技术
自主水下航行器(AUV)是人类探索海洋的有力工具，但AUV的续航能力有限，需要及时进行回收充电。为了降低成本，人们希望这一充电过程可以在水下直接进行，而非用母船对其回收至岸上进行。
公开号为CN102320362A的中国专利文献公开了一种海底对接装置，用于回收AUV进行充电。为了AUV能够顺利与海底基站对接，就需要精确的导航算法。
AUV回坞导航技术是回坞接驳过程中的关键技术。由于电磁波在海水中会急速衰减，无法利用GPS在海底进行导航定位。在海洋中，目前常用的导航方法有惯性导航，声学导航，视觉导航等。惯性导航不可避免的会出现累积误差，而视觉导航在浑浊水域则无法使用。因此在海洋中，主要是依靠声学定位***进行导航定位，例如超短基线(USBL)、短基线(SBL)和长基线(LBL)等。但是，声学导航也具有一定的局限性，如受环境噪声影响较大，如声波在周围物体上的反射干扰等。
公开号为CN104457754A的中国专利文献公开了一种利用长基线进行潜器定位的导航算法，然而利用长基线进行定位的前提是需要提前在潜器航行的区域进行基线的布放，增加了实现的难度和成本。SBL和USBL的使用相比LBL难度虽然有所降低，但这两种定位***的成本依旧高昂，难以推广应用，因此，就需要一种导航定位精度高，成本低，并适用于AUV与海底基站的导航定位方法。
电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。频率是电磁波的重要特性。在海水中，电磁波的强度会随着传播距离的增加而逐渐衰减，即电磁波随距离呈指数衰减规律。
发明内容
本发明提供了一种基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***及方法，该导航方法克服了常用导航方法的缺点，不会出现累计误差，也不易受AUV周围环境的影响，可以在浑浊水域中正常工作。
本发明提供了如下技术方案：
一种基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***，包括：
电磁波接收模块，搭载在AUV上，接收无线射频传感器发射的电磁波信号，并传输给电磁信号分析模块；
电磁信号分析模块，搭载在AUV上，将电磁波信号从模拟信号转换为数字信号，并传输给工控机；
工控机，根据电磁波数字信号计算电磁波信号的强度，根据预设的导航方法对AUV进行回坞导航；
水下无线传感器网络，布置在AUV回坞水域，包括若干发射频率不同的无线射频传感器；无线射频传感器的布置原则为：在AUV回坞轨迹的任意位置，在以Lmax为半径的范围内至少有四个无线射频传感器；Lmax为电磁波接收模块能接收到电磁波信号时，距无线射频传感器的最大距离。
所述的AUV上搭载有姿态传感器，所述的姿态传感器用于测量AUV的偏航角、俯仰角和横滚角。
本发明的AUV回坞导航***以电磁波衰减原理为依据对AUV进行回坞导航，不会出现累计误差，也不易受AUV周围环境的影响，可以在浑浊水域中正常工作，克服了常用导航方法的缺点。
优选的，所述的水下无线传感器网络包括：
若干无线射频传感器，发射电磁波信号，并且发射频率各不相同；
密封装置，用于密封无线射频传感器；
可移动支架，将无线射频传感器固定在特定位置；
水下电缆，为无线射频传感器供电并采集信号；
监控设备，监测水下无线传感器网络的工作状态，若发生故障，则发送报错信息。
本发明还公开了一种基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，包括以下步骤：
(1)在k时刻，接收m个无线射频传感器发射的电磁波信号，并计算各个电磁波信号的强度；m≥4；
(2)以AUV的空间位置坐标为状态变量，结合AUV运动的状态方程，利用扩展卡尔曼滤波估计AUV当前的空间位置坐标；
(3)根据AUV当前的空间位置坐标，调整AUV的航行姿态，实现对AUV的回坞导航。
电磁波在水下的衰减模型可以由下列公式表达：
rssi＝-20log10Ri-20Riαilog10e+Γi，
其中，rssi表示电磁波接收模块接收到的第i个无线射频传感器发射的电磁波信号的强度，Ri示电磁波接收模块距第i个无线射频传感器间的距离，αi，Γi是修正参数，需要在无线射频传感器布放前在回坞水域进行实验标定。(x，y，z)表示AUV的空间位置坐标，(xi，yi，zi)表示第i个无线射频传感器的空间位置坐标。
由于不同的无线射频传感器发射的电磁波信号频率不同，可以根据接收到的电磁波信号的频率，确定发出该电磁波信号的无线射频传感器，由于无线射频传感器的位置坐标已知，可以根据上述公式确定AUV与无线射频传感器之间的相对位置关系。
步骤(1)中，若某时刻m＜4，则等待接收电磁波信号数量的更新，直至满足m≥4。
步骤(1)中，记k时刻，AUV的空间位置坐标为Xk＝(xk，yk，zk)T；第i个无线射频传感器的空间位置坐标为(xi，yi，zi)；AUV接收到的电磁波信号的观测值分别为AUV接收到的m个无线射频传感器发射的电磁波信号的强度。
步骤(2)中，设AUV的运动状态方程为：Xk＝f(Xk-1)+W(k)，其中W(k)表示过程噪声，过程噪声协方差矩阵为Qk；
观测方程为：
其中 表示k时刻AUV距第i个无线射频传感器的距离，αi，Γi是修正参数，vi(k)是第i个无线射频传感器的观测噪声，表示rssk的观测噪声，V(k)的观测噪声协方差矩阵为Rk。
利用扩展卡尔曼滤波估计AUV在k时刻的空间位置包括：
(2-1)预测k时刻AUV的空间位置
(2-2)预测k时刻的均方误差Pk/k-1：其中，状态转移矩阵
(2-3)计算滤波增益Kk：其中雅可比矩阵
(2-4)估计k时刻AUV的空间位置
(2-5)均方误差更新：
经过上述步骤，可以得到各个时刻AUV回坞过程中的空间位置对于上述EKF算法，其实时性强，AUV能够在线处理接收到的传感器数据，从而实现实时定位。
优选的，步骤(3)中，根据AUV当前的空间位置坐标，结合AUV当前的偏航角、俯仰角及横滚角，调整AUV的航行姿态，实现对AUV的回坞导航。
步骤(3)中，AUV当前的偏航角、俯仰角及横滚角由AUV搭载的姿态传感器获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***及方法，创新性的设计了一个能够测量水下电磁波强度的并进而实现AUV定位的导航***。该***成本低，稳定性好，且对海洋环境无污染，布放灵活。同时，本发明公开的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，能够实现小范围内即回坞阶段的高精度导航，同时不受水质、环境噪声等的影响。
附图说明
图1为基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***的结构示意图；
图2为基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法的示意图；
图3为基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***包括搭载在AUV(自主水下航行器)上的电磁波接收模块、电磁信号分析模块和工控机，以及布设在AUV回坞区域的水下无线传感器网络。
电磁波接收模块通过SMA连接线与电磁信号分析模块连接，电磁信号分析模块通过USB接口与AUV里面的工控机连接。
电磁波接收模块由接收天线、密封胶管、连接件和固定机构组成。接收天线用于接收无线传感器发射的电磁波信号，并将电磁波信号传递给电磁信号分析模块；密封胶管包裹在天线外，起到密封作用；连接件将天线和胶管与固定机构连接；固定机构安装在AUV的头部。
AUV上搭载有姿态传感器，用来测量AUV的偏航角，俯仰角和横滚角。
电磁信号分析模块主要用于将电磁信号从模拟信号转化成数字信号，并传输给AUV内部的工控机，工控机计算接收到的电磁波信号的强度，根据电磁波信号的强度并结合AUV的偏航角、俯仰角和横滚角对AUV进行回坞导航。
水下无线传感器网络布置在航行器的回坞区域，由多个无线射频传感器、密封装置、可移动支架、水下电缆和监控设备构成。多个无线射频传感器被设置在不同的发射频率，同时发射不同频率的电磁波信号；密封装置对无线射频传感器进行密封，确保无线射频传感器能在水下正常工作；可移动支架将无线射频传感器合理的灵活的布置在回坞水域的不同位置处，作为实现AUV回坞导航定位的信标；水下电缆用于为无线射频传感器供电、信号采集等；监控设备用于检测水下无线传感器网络是否正常工作，如发现故障则及时报错，便于维修管理。
无线射频传感器的布置原则为：在不干扰AUV回坞的前提下，在AUV回坞轨迹的任意位置，在以Lmax为半径的范围内至少有四个无线射频传感器；Lmax为电磁波接收模块能接收到电磁波信号时，距无线射频传感器的最大距离。各个无线射频传感器的工作频率各不相同。
基于上述AUV回坞导航***的AUV回坞导航方法，包括以下步骤：
步骤1)将N个可以发射电磁波的无线射频传感器布置在AUV回坞水域，布放原则是：设电磁波接收模块能接收到电磁信号时距无线射频传感器的最大距离是Lmax。在不干扰AUV回坞的前提下，将无线射频传感器尽量均匀布放，保证在AUV回坞轨迹的任意位置附近均至少有四个距离小于Lmax的无线射频传感器。这N个无线射频传感器的工作频率依次设置为f1，f2，..，fN，功率均设置为相同。
步骤2)AUV在回坞过程中，电磁波接收模块接收到附近的m个传感器发射的电磁波信号，传输到电磁信号分析模块后将其转换成I/Q数字信号，再输入到AUV的工控机进行后续处理，通过傅里叶变换技术计算接收信号的功率密度谱从而得到电磁波信号的强度。设置这m个传感器的工作频率依次为为fi，fi+1，...，fi+m-1，相应的，AUV检测到的电磁波信号的强度依次为RSSi，RSSi+1，...，RSSi+m-1。假设m＝6，AUV回坞示意图如图2所示。其中，1-6表示固定放置在回坞水域的无线射频传感器，设置在不同工作频率上。RSS1表示AUV上的电磁波接收模块接收到的无线射频传感器1发射的电磁波的强度。此时，AUV能得到其周围6个无线射频传感器发射的电磁波的强度。
由于电磁波接收模块能接收到附近的m(m≥4)个无线射频传感器发射的电磁波信号，于是可以得到m个观测值。如果由于种种原因，不满足m≥4，算法会等待RSS的更新，直到满足时才开始执行下一步计算。
步骤3)利用扩展卡尔曼滤波(EKF)估计AUV的位置。
根据电磁波在水下的衰减原理，有公式：
rssi＝-20log10Ri-20Riαilog10e+Γi，
其中，rssi表示电磁波接收模块接收到的第i个无线射频传感器发射的电磁波信号的强度，Ri示电磁波接收模块距第i个无线射频传感器间的距离，αi，Γi是修正参数，需要在无线射频传感器布放前在回坞水域进行实验标定。(x，y，z)表示AUV的空间位置坐标，(xi，yi，zi)表示第i个无线射频传感器的空间位置坐标。
将上式作为一个观测方程，选取空间位置坐标X＝(x，y，z)T作为状态变量，结合AUV运动的状态方程，利用EKF可以求解出AUV的空间位置坐标。具体算法如下：
由步骤2)，在k时刻，AUV接收到的m个无线射频传感器发射的电磁波强度为：记k时刻的观测值为：
这m个传感器的空间位置为：(xi，yi，zi)，(xi+1，yi+1，zi+1)，..，(xi+m-1，yi+m-1，zi+m-1)，记k时刻AUV的位置为：Xk＝(xk，yk，zk)T。
设AUV的运动状态方程为：Xk＝f(Xk-1)+W(k)，其中W(k)表示过程噪声，过程噪声方差阵是Qk。
观测方程为：
其中
表示k时刻AUV距第i个无线传感器的距离，vi(k)是单个传感器的观测噪声，表示rssk的观测噪声，V(k)的观测噪声协方差矩阵为Rk。
利用EKF估计AUV在k时刻的位置的步骤如下：
1.一步预测：
2.一步预测均方误差：其中，状态转移矩阵
3.滤波增益：其中，雅可比矩阵
4.状态估计：
5.估计均方误差更新：
经过上述步骤，可以得到各个时刻AUV回坞过程中的空间位置对于上述EKF算法，其实时性强，AUV能够在线处理接收到的传感器数据，从而实现实时定位。其算法流程图如附图3所示。
步骤4)利用AUV上搭载的姿态传感器，可以得知AUV的俯仰角，偏航角和横滚角，再结合AUV的空间位置坐标，AUV的控制***会调整AUV的螺旋桨和舵，使AUV朝着海底基站的位置运动，实现回坞导航。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***，其特征在于，包括：
电磁波接收模块，搭载在AUV上，接收无线射频传感器发射的电磁波信号，并传输给电磁波信号分析模块；
电磁信号分析模块，搭载在AUV上，将电磁波信号从模拟信号转换为数字信号，并传输给工控机；
工控机，根据电磁波数字信号计算电磁波信号的强度，根据预设的导航方法对AUV进行回坞导航；
水下无线传感器网络，布置在AUV回坞水域，包括若干发射频率不同的无线射频传感器；无线射频传感器的布置原则为：在AUV回坞轨迹的任意位置，在以Lmax为半径的范围内至少有四个无线射频传感器；Lmax为电磁波接收模块能接收到电磁波信号时，距无线射频传感器的最大距离。
2.根据权利要求1所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***，其特征在于，所述的水下无线传感器网络包括：
若干无线射频传感器，发射电磁波信号，并且发射频率各不相同；
密封装置，用于密封无线射频传感器；
可移动支架，将无线射频传感器固定在特定位置；
水下电缆，为无线射频传感器供电并采集信号；
监控设备，监测水下无线传感器网络的工作状态，若发生故障，则发送报错信息。
3.根据权利要求1或2所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航***，其特征在于，所述的AUV上搭载有姿态传感器，所述的姿态传感器用于测量AUV的偏航角、俯仰角和横滚角。
4.一种基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在k时刻，接收m个无线射频传感器发射的电磁波信号，并计算各个电磁波信号的强度；
m≥4；
(2)以AUV的空间位置坐标为状态变量，结合AUV运动的状态方程，利用扩展卡尔曼滤波估计AUV当前的空间位置坐标；
(3)根据AUV当前的空间位置坐标，调整AUV的航行姿态，实现对AUV的回坞导航。
5.根据权利要求4所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，其特征在于，若某时刻m＜4，则等待接收电磁波信号数量的更新，直至满足m≥4。
6.根据权利要求4所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，其特征在于，步骤(1)中，记k时刻，AUV的空间位置坐标为Xk＝(xk，yk，zk)T；第i个无线射频传感器的空间位置坐标为(xi，yi，zi)；AUV接收到的电磁波信号的观测值 分别为AUV接收到的m个无线射频传感器发射的电磁波信号的强度。
7.根据权利要求6所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，其特征在于，步骤(2)中，设AUV的运动状态方程为：Xk＝f(Xk-1)+W(k)，其中W(k)表示过程噪声，过程噪声协方差矩阵为Qk；
观测方程为：
其中 表示k时刻AUV距第i个无线射频传感器的距离，αi，Γi是修正参数，vi(k)是第i个无线射频传感器的观测噪声，表示rssk的观测噪声，V(k)的观测噪声协方差矩阵为Rk。
8.根据权利要求7所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，其特征在于，利用扩展卡尔曼滤波估计AUV在k时刻的空间位置包括：
(2-1)预测k时刻AUV的空间位置
(2-2)预测k时刻的均方误差Pk/k-1：其中，状态转移矩阵
(2-3)计算滤波增益Kk：其中雅可比矩阵
(2-4)估计k时刻AUV的空间位置
(2-5)均方误差更新：
9.根据权利要求4所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，步骤(3)中，根据AUV当前的空间位置坐标，结合AUV当前的偏航角、俯仰角及横滚角，调整AUV的航行姿态，实现对AUV的回坞导航。
10.根据权利要求9所述的基于电磁波衰减原理的AUV回坞导航方法，AUV当前的偏航角、俯仰角及横滚角由AUV搭载的姿态传感器获得。
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