CN113514051A - 一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，涉及深海探测技术领域。该基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，包括水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***，对水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***进行连接融合，在使用前需要通过多普勒计程仪、压力传感器对惯性导航***进行初步的修正，水声定位***由基阵、换能器、水下应答器组成。通过多方法融合，使得水下导航可以克服深水环境的影响，提高了导航定位的可靠性，并且通过信息融合的方法实现高效、高精度、高可靠性的水下导航定位，指导水下机器人完成各种复杂任务。

Description

一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术
技术领域
本发明涉及深海探测技术领域，具体为一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术。
背景技术
导航定位技术在深海探测技术体系中占有重要地位，直接反映水下作业的精确性和安全性。随着深海探测技术的不断发展，水下导航定位技术也在不断进步，惯性导航、声学导航、海洋地球物理导航等技术不断的得以应用和改进。
惯性导航数据更新率高，导航信息延时低，而且***稳定、不易受到干扰，短时间内导航定位精度高。但是随着时间和距离的增加，惯性导航***的累计误差会逐渐增大，直至因为误差过大而无法使用。因此在实际使用中惯性导航***需要定期借助其他手段进行修正，使用GPS方法可以有效修正惯性导航的累计误差，但需要水下机器人不断浮出水面，不仅影响了作业效率，而且使得一些军用机器人无法隐蔽。目前声学导航在深海探测领域得到了广泛应用，可以避免惯性导航***的缺陷，不需要定期进行修正，有效提高了作业效率。但是该技术也存在一些无法回避的缺陷，长基线水下定位虽然精度相对较高，但应答器布置成本高，并且维护困难。短基线定位与长基线定位相比，精度有所下降，成本也有所降低，但存在安装、校准困难等问题。超短基线定位方法成本低，安装、维护方便，但却存在定位精度不足的缺点，限制了该技术的大规模应用。海洋地球物理导航是当前的研究热点，相关技术取得了一定突破，具有实时、连续、精确、安全隐蔽、完全自主等特点。该方法主要应用于军事领域，目前在民用领域尚无成熟应用。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，解决了水下导航定位技术存在的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，包括水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***，对水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***进行连接融合，在使用前需要通过多普勒计程仪、压力传感器对惯性导航***进行初步的修正，水声定位***由基阵、换能器、水下应答器组成，通过测定声波信号传播时间或相位差，进行水下定位，利用水声定位***测定的信息可以为作为信息融合的输入，为惯性导航***的累计误差修正提供参考数据，所述地图匹配定位***为利用视觉、声纳传感器构建水下高精度地图，传感器不断采集信息后生成三维点云数据，经过前端、后端、回环检测等过程，生成用于导航和定位的高精度地图，高精度地图的构建是进行地图匹配的基础，通过水声定位***和惯性导航***可以确定水下机器人的大概位置，缩小局部搜索的范围。在已知水下机器人姿态信息的情况下，将传感器的实时数据与预先制作好的高精度地图数据变换到同一个坐标系内进行匹配，匹配成功后可以得到水下机器人的位置信息，所述多传感器数据融合定位***的输入信息主要来自惯性导航***、水声定位***、地图匹配定位***，通过数据融合算法实现多传感器数据的融合，完成状态估计，输出可靠的导航定位信息，多传感器信息融合是实现多个定位***融合的前提，多传感器独立获得信息后，进行多级别、多方位和多层次的处理，产生最佳协同的信息，达到单一传感器无法实现的效果。
优选的，所述基于多方法融合的深水高精度导航定位技术主要为通过缆线实现地面设备与换能器之间的通信，以声波为载体实现换能器与应答器之间的信息交流，通过水上设备与水下设备的协同工作，完成水上与水下的通讯，实现高精度实时导航定位。
优选的，所述惯性导航***包括惯性测量单元、信号预处理和机械力学编排模块惯性测量单元主要包括3个相互正交的单轴加速度计和3个相互正交的单轴陀螺仪，根据机械力学编排形式的不同，可以将惯性导航***分为平台式惯性导航***和捷联式惯性导航***。
优选的，所述惯性导航测量单元的工作原理为：惯性导航***是一种以陀螺仪和加速度计为感知原件的导航参数解算***，通过由陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元完成数据信息的采集，通过加速度计测量载体相对惯性空间的绝对加速度和重力加速度之和，经过加速度计坐标系投影变换、重力补偿、速度和位置积分解算后输出速度计位置信息，陀螺仪可以采集载体相对于惯性坐标系的角加速度信号，姿态积分解算后输出姿态信息。
优选的，所述地图匹配定位***的工作原理为：高精度地图是进行地图匹配的基础，包含用于地图匹配的特征，利用水声定位***和惯性导航***可以判断水下机器人的大概位置，确定地图匹配的局部搜索范围，通过惯性导航***判断水下机器人的姿态，姿态信息用于指导地图匹配，基于感知信息生成实时点云数据，将点云数据与高精度地图信息变换到同一个坐标系中内进行匹配，匹配成功后即可确认定位信息。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术。具备以下有益效果：
多方法融合的水下定位***可以有效的避免水声定位***更新频率低、实时性相对较差、易受环境影响、当机器人被障碍物遮挡时信号传输可能会受到干扰等缺点。惯性导航***信息更新速度快，一定时间内可以提供连续的、较高精度的定位信息，但其误差会随着***运行时间而累积，造成导航失效。地图匹配定位***可以提供高精度的定位信息，但随着地图信息的增加，搜索区域将会增大，造成匹配效率下降等缺陷，通过信息融合的方法可以实现高效、高精度、高可靠性的水下导航定位，指导水下机器人完成各种复杂任务。
本发明的导航定位精度是其他单一导航方法无法实现的，水下导航定位精度可以达到厘米级。在导航的实时性方面，该方法也具备较好的表现，完全满足水下机器人高精度、高实时性的导航定位需求。通过多方法融合，使得水下导航可以克服深水环境的影响，提高了导航定位的可靠性。在达到同等导航精度的前提下，地图匹配效率远高于使用单一方法的地图匹配定位***，显示出了该方法的高效性。
附图说明
图1为本发明基于多方法融合的水下导航系定位***示意图；
图2为本发明惯性导航***主要模块示意图；
图3为本发明惯性导航测量单元工作原理图；
图4为本发明基于地图信息的匹配定位原理图；
图5为本发明地图匹配定位方法流程图；
图6为本发明同步定位地图构建方法示意图；
图7为本发明基于多方法融合的导航定位***硬件及数据传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1-7所示，本发明实施例提供一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，包括水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***，对水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***进行连接融合，在使用前需要通过多普勒计程仪、压力传感器对惯性导航***进行初步的修正，水声定位***由基阵、换能器、水下应答器组成，通过测定声波信号传播时间或相位差，进行水下定位，利用水声定位***测定的信息可以为作为信息融合的输入，为惯性导航***的累计误差修正提供参考数据，地图匹配定位***为利用视觉、声纳传感器构建水下高精度地图，传感器不断采集信息后生成三维点云数据，经过前端、后端、回环检测等过程，生成用于导航和定位的高精度地图，多传感器数据融合定位***的输入信息主要来自惯性导航***、水声定位***、地图匹配定位***，通过数据融合算法实现多传感器数据的融合，完成状态估计，输出可靠的导航定位信息。
基于多方法融合的深水高精度导航定位技术主要为通过缆线实现地面设备与换能器之间的通信，以声波为载体实现换能器与应答器之间的信息交流，通过水上设备与水下设备的协同工作，完成水上与水下的通讯，实现高精度实时导航定位。
惯性导航***包括惯性测量单元、信号预处理和机械力学编排模块惯性测量单元主要包括3个相互正交的单轴加速度计和3个相互正交的单轴陀螺仪，根据机械力学编排形式的不同，可以将惯性导航***分为平台式惯性导航***和捷联式惯性导航***。
惯性导航测量单元的工作原理为：惯性导航***是一种以陀螺仪和加速度计为感知原件的导航参数解算***，通过由陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元完成数据信息的采集，通过加速度计测量载体相对惯性空间的绝对加速度和重力加速度之和，经过加速度计坐标系投影变换、重力补偿、速度和位置积分解算后输出速度计位置信息，陀螺仪可以采集载体相对于惯性坐标系的角加速度信号，姿态积分解算后输出姿态信息。
地图匹配定位***的工作原理为：高精度地图是进行地图匹配的基础，包含用于地图匹配的特征，利用水声定位***和惯性导航***可以判断水下机器人的大概位置，确定地图匹配的局部搜索范围，通过惯性导航***判断水下机器人的姿态，姿态信息用于指导地图匹配，基于感知信息生成实时点云数据，将点云数据与高精度地图信息变换到同一个坐标系中内进行匹配，匹配成功后即可确认定位信息。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：包括水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***，对水声定位***、惯性导航***、地图匹配定位***和多传感器数据融合定位***进行连接融合，水声定位***由基阵、换能器、水下应答器组成，通过测定声波信号传播时间或相位差，进行水下定位，利用水声定位***测定的信息可以为作为信息融合的输入，为惯性导航***的累计误差修正提供参考数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述基于多方法融合的深水高精度导航定位技术主要为通过缆线实现地面设备与换能器之间的通信，以声波为载体实现换能器与应答器之间的信息交流，通过水上设备与水下设备的协同工作，完成水上与水下的通讯，实现高精度实时导航定位。
3.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述惯性导航***包括惯性测量单元、信号预处理和机械力学编排模块，惯性测量单元主要包括3个相互正交的单轴加速度计和3个相互正交的单轴陀螺仪。
4.根据权利要求3所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述惯性导航测量单元的工作原理为：惯性导航***是一种以陀螺仪和加速度计为感知原件的导航参数解算***，通过由陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元完成数据信息的采集，通过加速度计测量载体相对惯性空间的绝对加速度和重力加速度之和，经过加速度计坐标系投影变换、重力补偿、速度和位置积分解算后输出速度计位置信息，陀螺仪可以采集载体相对于惯性坐标系的角加速度信号，姿态积分解算后输出姿态信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述地图匹配定位***的工作原理为：高精度地图是进行地图匹配的基础，包含用于地图匹配的特征，利用水声定位***和惯性导航***可以判断水下机器人的大概位置，确定地图匹配的局部搜索范围，通过惯性导航***判断水下机器人的姿态，姿态信息用于指导地图匹配，基于感知信息生成实时点云数据，将点云数据与高精度地图信息变换到同一个坐标系中内进行匹配，匹配成功后即可确认定位信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述多传感器数据融合定位***的输入信息主要来自惯性导航***、水声定位***、地图匹配定位***，通过数据融合算法实现多传感器数据的融合，完成状态估计，输出可靠的导航定位信息。
7.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述惯性导航***根据机械力学编排形式的不同，可以将其分为平台式惯性导航***和捷联式惯性导航***。
8.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述地图匹配定位***为利用视觉、声纳传感器构建水下高精度地图，传感器不断采集信息后生成三维点云数据，经过前端、后端、回环检测等过程，生成用于导航和定位的高精度地图。
9.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述高精度导航定位技术在使用前需要通过多普勒计程仪、压力传感器对惯性导航***进行初步的修正。
10.根据权利要求1所述的一种基于多方法融合的深水高精度导航定位技术，其特征在于：所述单轴陀螺仪为单轴偏航MEMS陀螺仪。
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