CN115060274B - 一种水下一体式自主导航装置及其初始对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下导航定位技术领域，公开了一种水下一体式自主导航装置，包括导航计算模块、信号转换模块、数据存储模块、微机电惯性测量单元、多普勒计程仪和电压转换模块，将微机电惯性测量单元和多普勒计程仪一体化设计，实现水下没有GPS、北斗等信号的环境下，不依赖任何外部信息，对水下蛙人、小型运载器的导航定位，能够满足水下蛙人导航的自主性强、体积小、功耗低、成本低廉、使用方便的特点。本发明还公开了一种导航装置初始对准方法，用于实现导航装置的初始对准。

Description

一种水下一体式自主导航装置及其初始对准方法
技术领域
本发明涉及水下导航定位技术领域，尤其涉及一种水下一体式自主导航装置及其初始对准方法。
背景技术
由于水下环境的特殊性和复杂性，水下光线不足，无线电信号衰减迅速，因此通常的视觉、GNSS卫星导航（包括GPS、北斗等）无法对水下目标进行导航、定位。
水下蛙人在水下救援、打捞、清淤、摄影、检修等作业时，一般通过蛙人运载器辅助其航行至指定地点进行作业，因此需要一种能类似GPS的水下导航定位装置，并且要求体积小、功耗低、实用性强等。这样尽量避免需要频繁上浮到水面接收GPS信号，提高水下工作效率。
现有的水下导航常用的方法有：
（1）水声定位，在任务区预先布置一个或多个声呐基站，与GNSS的原理相似，利用目标接收基站声呐信号来确定相对位置和方向。
（2）地球物理导航，利用预先储存的水下地形、磁场或者重力场背景图与当前测量值进行匹配，从而确定当前时刻的位置坐标。
然而，无论是水声定位还是地球物理导航方法，都需要先验的条件，比如水声定位***需要在水面或者海底布置应答器，地球物理导航需要先验的地图。此外，在使用先验的背景图进行导航时，需要配备对应的传感器实时测量磁场、重力、地形和水深等参数，这些传感器体积较大、价格昂贵，这对于水下蛙人使用极其不便。
水下蛙人执行任务更多的场合是陌生的领域，不能事先布置应答器或其它声学基站，也没有地图。因此，需要一种全自主的导航定位装置，不依赖外部信息，可以实时导航、定位。
惯性导航（INS）依靠其内部的惯性器件（陀螺测量角运动，加速度计测量线运动），可以独立、自主地提供所有的导航信息，包括姿态、速度和位置等，具有可靠性高，不需要与外界有任何声、光、电的联系，基本不受外界干扰，短时间内精度高等优点。然而，INS的误差会随着时间积累，误差发散快。但是多普勒计程仪（Doppler Velocity Log）可以测量运动的速度，并且误差不发散，因此，可以将INS与DVL进行组合导航，可以克服误差快速发散的缺点。
目前的INS与DVL组合导航装置中的INS一般采用能完成初始自对准的高精度光纤陀螺、甚至激光陀螺，这对于大型潜器，比如潜艇和大型水下机器人（AUV或ROV）等可以接受，但对于蛙人运载器，其体积大、功耗高且成本昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种水下一体式自主导航装置及其初始对准方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种水下一体式自主导航装置，包括导航计算模块、信号转换模块、数据存储模块、微机电惯性测量单元和多普勒计程仪，其中，所述微机电惯性测量单元用于采集蛙人运载器的角速度、加速度数据；所述多普勒计程仪用于采集蛙人运载器的运动速度数据；所述信号转换模块分别与微机电惯性测量单元、多普勒计程仪和导航计算模块相连接，用于接收微机电惯性测量单元和多普勒计程仪采集的数据并传输至导航计算模块；所述信号转换模块还用于接收母船导航***的位置、速度和方位角数据并传输至导航计算模块；所述导航计算模块用于处理母船导航***提供的位置、速度和方位角数据，以对微机电惯性测量单元进行初始对准；所述导航计算模块还用于处理微机电惯性测量单元和多普勒计程仪采集的数据，以得到优化的导航结果；所述信号转换模块还用于接收导航计算模块计算的导航结果并输出至蛙人运载器；所述数据存储模块与导航计算模块相连接，用于存储微机电惯性测量单元采集的角速度和加速度数据，多普勒计程仪采集的运动速度数据，导航计算模块计算的导航结果以及信号转换模块接收到的母船导航***位置、速度和方位角数据。
优选地，所述导航装置还包括顶端开口的密封舱体和扣合至密封舱体顶端的舱盖，所述密封舱体内侧中部凸设有卡阶，所述卡阶固接有安装板，所述微机电惯性测量单元固接至安装板下方，所述安装板上方固接有数据存储模块、导航计算模块和信号转换模块，所述多普勒计程仪固接至密封舱体外侧下方，所述舱盖设有第一水密头插接件和第二水密头插接件，所述第一水密头插接件用于供电，所述第二水密头插接件用于数据传输。
优选地，所述舱盖下侧设有与密封舱体顶端开口过盈配合的插接部，所述插接部与密封舱体间设有密封圈，所述舱盖表面还设有泄压孔，所述泄压孔内设有相适配的气密塞。
优选地，所述多普勒计程仪上侧面通过第一螺栓固接有安装底板，所述安装底板设有凸出多普勒计程仪上侧面外周的外延部，所述密封舱体的底端设有与安装底板相适配的凹槽，所述安装底板嵌设于凹槽内，所述安装底板的外延部通过第二螺栓固接至凹槽底面。
优选地，所述第二螺栓在凹槽底面相对应的螺栓孔为盲孔。
优选地，所述信号转换模块设有以太网输出接口、RS422输出接口和CAN输出接口。
优选地，所述数据存储模块设有USB输出接口。
本发明还公开了一种导航装置初始对准方法，用于上述水下一体式自主导航装置，包括如下步骤：
S10，将导航装置固定到母船，使导航装置与母船导航***建立通讯连接；
S20，导航计算模块获取母船导航***的位置数据、速度数据装订至导航装置；
S30，导航计算模块获取母船导航***的方位角数据，微机电惯性测量单元采集的角速度、加速度数据，多普勒计程仪采集的运动速度数据，结合母船导航***的位置数据、速度数据，通过卡尔曼滤波算法得出导航装置的姿态误差角、微机电惯性测量单元的陀螺仪常值误差和微机电惯性测量单元的加速度计常值误差。
优选地，所述S30步骤中，卡尔曼滤波算法的状态向量X的表达式如下：
Figure 528726DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 85084DEST_PATH_IMAGE002
表示微机电惯性测量单元在东向的姿态误差角，
Figure 580788DEST_PATH_IMAGE003
表示微机电惯性测量 单元在北向的姿态误差角，
Figure 31361DEST_PATH_IMAGE004
表示微机电惯性测量单元在天向的姿态误差角，
Figure 194489DEST_PATH_IMAGE005
表示微 机电惯性测量单元在东向的速度误差，
Figure 924678DEST_PATH_IMAGE006
表示微机电惯性测量单元在北向的速度误差，
Figure 563470DEST_PATH_IMAGE007
表示微机电惯性测量单元在天向的速度误差，
Figure 427521DEST_PATH_IMAGE008
表示微机电惯性测量单元纬度的位置 误差，
Figure 320522DEST_PATH_IMAGE009
表示微机电惯性测量单元经度的位置误差，
Figure 611826DEST_PATH_IMAGE010
表示微机电惯性测量单元高度的 位置误差，
Figure 472334DEST_PATH_IMAGE011
表示微机电惯性测量单元的陀螺仪x轴的零偏值，
Figure 140076DEST_PATH_IMAGE012
表示微机电惯性测量单元 的陀螺仪y轴的零偏值，
Figure 622004DEST_PATH_IMAGE013
表示微机电惯性测量单元的陀螺仪z轴的零偏值，
Figure 474423DEST_PATH_IMAGE014
表示微机电 惯性测量单元的加速度计x轴的零偏值，
Figure 432014DEST_PATH_IMAGE015
表示微机电惯性测量单元的加速度计y轴的零 偏值，
Figure 510304DEST_PATH_IMAGE016
表示微机电惯性测量单元的加速度计z轴的零偏值，
Figure 361586DEST_PATH_IMAGE017
表示导航装置与母船之间 的安装误差角，
卡尔曼滤波算法的量测向量Z的表达式如下：
Figure 260271DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 314946DEST_PATH_IMAGE019
表示母船当前所处高度值，
Figure 324491DEST_PATH_IMAGE020
表示母船当前所处经度值，
Figure 561437DEST_PATH_IMAGE021
表示母船当前 所处纬度值，
Figure 975232DEST_PATH_IMAGE022
表示母船在东向的速度测量值，
Figure 172995DEST_PATH_IMAGE023
表示母船在北向的速度测量值，
Figure 48547DEST_PATH_IMAGE024
表示母 船在天向的速度测量值，
Figure 890732DEST_PATH_IMAGE025
表示母船的方位角。
优选地，所述S30步骤中，卡尔曼滤波算法的状态方程为：
Figure 724696DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 144176DEST_PATH_IMAGE027
为
Figure 102380DEST_PATH_IMAGE028
的一阶微分，F为状态转移矩阵，G为15维单位矩阵，W为***噪声，
状态转移矩阵F的表达式如下，
Figure 48340DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 194150DEST_PATH_IMAGE030
Figure 976292DEST_PATH_IMAGE031
Figure 724806DEST_PATH_IMAGE032
Figure 666217DEST_PATH_IMAGE033
Figure 592716DEST_PATH_IMAGE034
Figure 986788DEST_PATH_IMAGE035
Figure 804571DEST_PATH_IMAGE036
Figure 210276DEST_PATH_IMAGE037
Figure 963468DEST_PATH_IMAGE038
Figure 969470DEST_PATH_IMAGE039
其中，矩阵
Figure 935152DEST_PATH_IMAGE040
为状态转移矩阵F的子块，矩阵
Figure 192434DEST_PATH_IMAGE041
均为矩阵
Figure 241161DEST_PATH_IMAGE040
的子块，矩阵
Figure 344246DEST_PATH_IMAGE042
均为矩阵
Figure 254565DEST_PATH_IMAGE043
的子块，
Figure 759495DEST_PATH_IMAGE044
为
Figure 713545DEST_PATH_IMAGE045
的转置矩阵，
Figure 179293DEST_PATH_IMAGE046
为载体坐标系与导航 坐标系之间的姿态变换矩阵，通过粗对准得到，
Figure 752356DEST_PATH_IMAGE047
为地球自转角速度，
Figure 502006DEST_PATH_IMAGE048
为地球卯酉圈主 曲率半径，
Figure 767903DEST_PATH_IMAGE049
为地球子午圈主曲率半径，
Figure 455367DEST_PATH_IMAGE050
表示由微机电惯性测量单元测得的母船在导 航坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在地球坐标系的投影，
Figure 956756DEST_PATH_IMAGE051
表示由微机电惯性测 量单元测得的母船在导航坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在导航坐标系的投影，
Figure 436279DEST_PATH_IMAGE052
表示由微机电惯性测量单元测得的母船在导航坐标系相对于地球坐标系的旋转角速度 在导航坐标系的投影，
Figure 503371DEST_PATH_IMAGE053
为微机电惯性测量单元的加速度计所测量的比力值，
Figure 192978DEST_PATH_IMAGE054
表示微机 电惯性测量单元在导航坐标系下测量得到的速度值，
Figure 842265DEST_PATH_IMAGE055
表示微机电惯性测量单元在导航坐 标系下测量得到的东向速度值，
Figure 317240DEST_PATH_IMAGE056
表示微机电惯性测量单元在导航坐标系下测量得到的北 向速度值，
卡尔曼滤波算法的量测方程为：
Figure 924939DEST_PATH_IMAGE057
其中，H为量测矩阵，V为量测噪声，
量测矩阵H的表达式如下，
Figure 101842DEST_PATH_IMAGE058
其中，I为单位矩阵，
Figure 820400DEST_PATH_IMAGE059
为多普勒计程仪在导航坐标系下的速度测量值。
本发明的有益效果是：
本发明针对水下蛙人导航定位的特点，以低成本、微小型的微机电惯性测量单元MINS与多普勒计程仪DVL一体式设计，并对两者的信息进行融合，实现水下没有GPS、北斗等信号的环境下，不依赖任何外部信息，对水下蛙人、小型运载器的导航定位，能够满足水下蛙人导航的自主性强、体积小、功耗低、成本低廉、使用方便的特点；信号转换模块能够通过多种方式将导航结果输出至蛙人运载器，使导航装置具有较强的通用性；通过一体化设计，可以有效降低导航装置的整体体积，适应蛙人运载器、小型机器人狭小安装空间；密封圈及过盈配合的方式能够提高舱盖与密封舱体间的密封性，泄压孔的设置便于舱盖的安装或者拆卸，在安装好舱盖后，气密塞用于对泄压孔进行封堵；安装底板的设置便于DVL的前期装配及后期维护，凹槽的设置使得DVL与密封舱体的结构更加紧凑；盲孔，能够完全避免导航装置外部的液体从凹槽底面的螺栓孔位置渗入至密封舱体内部，对密封舱体内部的各个模块起到保护作用；导航装置初始对准方法通过母船GNSS辅助导航装置完成方位初始对准，在传递过程中，母船GNSS的位置数据、速度数据直接装订至导航装置，姿态误差角、MINS陀螺仪常值误差及MINS加速度计常值误差则通过卡尔曼滤波得出，进而实现导航装置的方位初始化参数装订，使其可以进入下一阶段的导航。
附图说明
图1是本发明提供的水下一体式自主导航装置的***结构示意图；
图2是本发明所述密封舱体的底部结构示意图；
图3是本发明所述密封舱体的内部结构示意图；
图4是本发明提供的水下一体式自主导航装置的模块框图；
图5是本发明提供的水下一体式自主导航装置的信号流程图。
图中：1、第一水密头插接件；2、气密塞；3、泄压孔；4、舱盖；5、密封舱体；6、安装底板；7、外延部；8、多普勒计程仪；9、第二水密头插接件；10、凹槽；11、盲孔；12、舱盖安装孔；13、舱体螺纹孔；14、密封圈；15、安装板；16、卡阶；17、微机电惯性测量单元；18、插接部；19、数据存储模块；20、电压转换模块；21、导航计算模块；22、信号转换模块。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-图5所示，本发明提供了一种水下一体式自主导航装置，包括导航计算模块21、信号转换模块22、数据存储模块19、微机电惯性测量单元17、多普勒计程仪8和电压转换模块20，所述微机电惯性测量单元（MEMS strapdown inertial system）17简称MINS，所述多普勒计程仪（Doppler velocity log）8简称DVL，其中，所述电压转换模块20用于将***电源电压转换为其余各模块所需电压并进行供电；所述微机电惯性测量单元17用于采集蛙人运载器的角速度、加速度数据；所述多普勒计程仪8用于采集蛙人运载器的运动速度数据；所述信号转换模块22分别与微机电惯性测量单元17、多普勒计程仪8和导航计算模块21相连接，用于接收微机电惯性测量单元17和多普勒计程仪8采集的数据并传输至导航计算模块21；所述信号转换模块22还用于接收母船导航***的位置、速度和方位角数据并传输至导航计算模块21，所述母船导航***即为母船GNSS***；所述导航计算模块21用于处理母船导航***提供的位置、速度和方位角数据，以对微机电惯性测量单元17进行初始对准；所述导航计算模块21还用于处理微机电惯性测量单元17和多普勒计程仪8采集的数据，以得到优化的导航结果，具体流程如图5所示，卡尔曼滤波算法对来自MINS和DVL的数据进行相关误差参数的最优估计，然后将其输出的结果对MINS原始输出的导航参数进行修正，从而得到优化的导航结果；所述信号转换模块22还用于接收导航计算模块21计算的导航结果并输出至蛙人运载器；所述数据存储模块19与导航计算模块21相连接，用于存储微机电惯性测量单元17采集的角速度和加速度数据，多普勒计程仪8采集的运动速度数据，导航计算模块21计算的导航结果以及信号转换模块22接收到的母船导航***位置、速度和方位角数据，针对水下蛙人导航定位的特点，以低成本、微小型的微机电惯性测量单元17与多普勒计程仪8一体式设计，并对两者的信息进行融合，能够满足水下蛙人导航的自主性强、体积小、功耗低、成本低廉、使用方便的要求。
本发明提供的一种水下一体式自主导航装置还包括顶端开口的密封舱体5和扣合至密封舱体5顶端的舱盖4，所述密封舱体5整体呈柱形，所述密封舱体5内侧中部凸设有卡阶16，所述卡阶16固接有安装板15，所述微机电惯性测量单元17固接至安装板15下方，所述安装板15上方固接有数据存储模块19、电压转换模块20、导航计算模块21和信号转换模块22，所述多普勒计程仪8固接至密封舱体5外侧下方，所述舱盖设有第一水密头插接件1和第二水密头插接件9，所述第一水密头插接件1用于供电，所述第二水密头插接件9用于数据传输，所述第一水密头插接件1和第二水密头插接件9均可设置多个，在本实施例中，所述第一水密头插接件1设有一个，所述第二水密头插接件9设有两个，通过一体化设计，可以有效降低导航装置的整体体积，适应蛙人运载器、小型机器人狭小安装空间。
所述舱盖下侧设有与密封舱体5顶端开口过盈配合的插接部18，所述舱盖在插接部18外周设有多个等角度分布的舱盖安装孔12，所述密封舱体5顶端设有与舱盖安装孔12相适配的舱体螺纹孔13，将安装螺栓穿过舱盖安装孔12并旋紧至舱体螺纹孔13即可将舱盖固定安装至密封舱体5，所述插接部18与密封舱体5间设有密封圈14，所述舱盖表面还设有泄压孔3，所述泄压孔3内设有相适配的气密塞2，密封圈14及过盈配合的方式能够提高舱盖与密封舱体5间的密封性，在舱盖的安装或者拆卸过程中，泄压孔3的设置使得密封舱体5内的气压与密封舱体5外的气压保持一致，便于舱盖的安装或者拆卸，在安装好舱盖后，气密塞2用于对泄压孔3进行封堵。
所述DVL上侧面通过第一螺栓固接有安装底板6，所述安装底板6设有凸出DVL上侧面外周的外延部7，所述密封舱体5的底端设有与安装底板6相适配的凹槽10，所述安装底板6嵌设于凹槽10内，所述安装底板6的外延部7通过第二螺栓固接至凹槽10底面，由于DVL的螺栓孔一般设置在其上侧面，若直接通过DVL自带的螺栓孔将其安装至密封舱体5，则需要在密封舱体5底部开设通孔，并且从密封舱体5内部将螺栓穿过通孔对DVL进行固定，不便于对DVL进行安装，若DVL出现故障，也不便于对DVL进行拆卸与更换，安装底板6的设置使工作人员能够在密封舱体5的外部直接完成对DVL的固定，便于DVL的前期装配及后期维护，凹槽10的设置使得DVL与密封舱体5的结构更加紧凑。
所述第二螺栓在凹槽10底面相对应的螺栓孔为盲孔11，能够完全避免导航装置外部的液体从凹槽10底面的螺栓孔位置渗入至密封舱体5内部，对密封舱体5内部的各个模块起到保护作用。
所述信号转换模块22设有以太网输出接口、RS422输出接口和CAN输出接口，信号转换模块22能够通过多种方式将导航结果输出至蛙人运载器，使导航装置具有较强的通用性。
所述数据存储模块19设有USB输出接口，便于工作人员读取数据存储模块19内存储的数据。
本发明还公开了一种导航装置初始对准方法，用于上述水下一体式自主导航装置，包括如下步骤：
S10，将导航装置固定到母船，使导航装置与母船导航***建立通讯连接；
S20，导航计算模块获取母船导航***的位置数据、速度数据装订至导航装置；
S30，导航计算模块获取母船导航***的方位角数据，微机电惯性测量单元采集的角速度、加速度数据，多普勒计程仪采集的运动速度数据，结合母船导航***的位置数据、速度数据，通过卡尔曼滤波算法得出导航装置的姿态误差角、微机电惯性测量单元的陀螺仪常值误差和微机电惯性测量单元的加速度计常值误差，本技术方案通过母船导航***辅助导航装置完成方位初始对准，在传递过程中，母船GNSS的位置数据、速度数据直接装订至导航装置，姿态误差角、MINS陀螺仪常值误差及MINS加速度计常值误差则通过卡尔曼滤波得出，进而实现导航装置的方位初始化参数装订，使其可以进入下一阶段的导航，即对导航装置完成初始对准后，再将其从母船拆卸并安装至蛙人运载器，从而实现蛙人运载器的导航工作。
本技术方案中，载体坐标系（b系）采用右前上坐标系，即以导航装置的质心为原点，导航装置前进方向的右侧方向为x轴，导航装置的前进方向为y轴，z轴由右手定则确定；
导航坐标系（n系）采用东北天坐标系，即以导航装置的质心为原点，导航装置的地理东向为E轴，导航装置的地理北向为N轴，U轴由右手定则确定。
所述S30步骤中，将MINS的姿态误差角、速度误差、位置误差、陀螺仪零偏值、加速度计零偏值及导航装置的安装误差角作为卡尔曼滤波算法的状态向量X，所述状态向量X的表达式如下：
Figure 884302DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 787536DEST_PATH_IMAGE002
表示微机电惯性测量单元在东向的姿态误差角，
Figure 327102DEST_PATH_IMAGE003
表示微机电惯性测量 单元在北向的姿态误差角，
Figure 724716DEST_PATH_IMAGE004
表示微机电惯性测量单元在天向的姿态误差角，
Figure 767758DEST_PATH_IMAGE005
表示微 机电惯性测量单元在东向的速度误差，
Figure 576314DEST_PATH_IMAGE006
表示微机电惯性测量单元在北向的速度误差，
Figure 210033DEST_PATH_IMAGE007
表示微机电惯性测量单元在天向的速度误差，
Figure 270393DEST_PATH_IMAGE008
表示微机电惯性测量单元纬度的位置 误差，
Figure 292576DEST_PATH_IMAGE009
表示微机电惯性测量单元经度的位置误差，
Figure 288345DEST_PATH_IMAGE010
表示微机电惯性测量单元高度的 位置误差，
Figure 536924DEST_PATH_IMAGE011
表示微机电惯性测量单元的陀螺仪x轴的零偏值，
Figure 525608DEST_PATH_IMAGE012
表示微机电惯性测量单元 的陀螺仪y轴的零偏值，
Figure 543243DEST_PATH_IMAGE013
表示微机电惯性测量单元的陀螺仪z轴的零偏值，
Figure 709913DEST_PATH_IMAGE014
表示微机电 惯性测量单元的加速度计x轴的零偏值，
Figure 570422DEST_PATH_IMAGE061
表示微机电惯性测量单元的加速度计y轴的零 偏值，
Figure 972584DEST_PATH_IMAGE016
表示微机电惯性测量单元的加速度计z轴的零偏值，
Figure 985671DEST_PATH_IMAGE017
表示导航装置与母船之间 的安装误差角，
将母船GNSS采集的位置、速度和方位角作为卡尔曼滤波算法的量测向量Z，所述量测向量Z的表达式如下：
Figure 713455DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 795681DEST_PATH_IMAGE062
表示母船当前所处高度值，
Figure 267113DEST_PATH_IMAGE063
表示母船当前所处经度值，
Figure 866198DEST_PATH_IMAGE064
表示母船当前 所处纬度值，
Figure 499304DEST_PATH_IMAGE022
表示母船在东向的速度测量值，
Figure 334405DEST_PATH_IMAGE023
表示母船在北向的速度测量值，
Figure 343949DEST_PATH_IMAGE024
表示母 船在天向的速度测量值，
Figure 800470DEST_PATH_IMAGE025
表示母船的方位角。
所述S30步骤中，
卡尔曼滤波算法的姿态角误差方程如下：
Figure 994691DEST_PATH_IMAGE065
.
其中，
Figure 926874DEST_PATH_IMAGE066
其中，
Figure 615476DEST_PATH_IMAGE046
为载体坐标系与导航坐标系之间的姿态变换矩阵，通过粗对准得到，即利 用重力加速度和地球自转角速度粗略计算得到姿态变换矩阵，
Figure 582295DEST_PATH_IMAGE067
为姿态变换矩阵
Figure 681838DEST_PATH_IMAGE046
第
Figure 101318DEST_PATH_IMAGE068
行 第
Figure 328031DEST_PATH_IMAGE069
列的元素，
Figure 149357DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure 419801DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 326577DEST_PATH_IMAGE047
为地球自转角速度，
Figure 88472DEST_PATH_IMAGE072
为地球卯酉圈主曲率半径，
Figure 888938DEST_PATH_IMAGE073
为地球子午圈主曲率半径，
Figure 471229DEST_PATH_IMAGE074
为微机电惯性测量单元的陀螺仪零偏值转换到导航坐标系下 东向的分量，
Figure 740667DEST_PATH_IMAGE075
为微机电惯性测量单元的陀螺仪零偏值转换到导航坐标系下北向的分量，
Figure 433817DEST_PATH_IMAGE076
为微机电惯性测量单元的陀螺仪零偏值转换到导航坐标系下天向的分量，
Figure 823210DEST_PATH_IMAGE077
为
Figure 451769DEST_PATH_IMAGE002
的一 阶微分，
Figure 801978DEST_PATH_IMAGE078
为
Figure 423453DEST_PATH_IMAGE003
的一阶微分，
Figure 683664DEST_PATH_IMAGE079
为
Figure 607757DEST_PATH_IMAGE080
的一阶微分，
卡尔曼滤波算法的速度误差方程如下：
Figure 101056DEST_PATH_IMAGE081
Figure 136008DEST_PATH_IMAGE082
Figure 247796DEST_PATH_IMAGE083
其中，
Figure 342791DEST_PATH_IMAGE084
其中，
Figure 57806DEST_PATH_IMAGE085
为微机电惯性测量单元的加速度测量值转换到导航坐标系下东向的分 量，
Figure 240657DEST_PATH_IMAGE086
为微机电惯性测量单元的加速度测量值转换到导航坐标系下北向的分量，
Figure 865673DEST_PATH_IMAGE087
为微机 电惯性测量单元的加速度测量值转换到导航坐标系下天向的分量，
Figure 990624DEST_PATH_IMAGE088
为微机电惯性测量 单元的加速度计零偏值转换到导航坐标系下东向的分量，
Figure 943667DEST_PATH_IMAGE089
为微机电惯性测量单元的加 速度计零偏值转换到导航坐标系下北向的分量，
Figure 54843DEST_PATH_IMAGE090
为微机电惯性测量单元的加速度计零 偏值转换到导航坐标系下天向的分量，
Figure 659000DEST_PATH_IMAGE091
为
Figure 174426DEST_PATH_IMAGE005
的一阶微分，
Figure 598454DEST_PATH_IMAGE092
为
Figure 778899DEST_PATH_IMAGE093
的一阶微分，
Figure 250945DEST_PATH_IMAGE094
为
Figure 858643DEST_PATH_IMAGE007
的一阶微分，
卡尔曼滤波算法的位置误差方程如下：
Figure 504388DEST_PATH_IMAGE095
其中，
Figure 363891DEST_PATH_IMAGE096
为
Figure 818006DEST_PATH_IMAGE008
的一阶微分，
Figure 455661DEST_PATH_IMAGE097
为
Figure 729647DEST_PATH_IMAGE009
的一阶微分，
Figure 127262DEST_PATH_IMAGE098
为
Figure 435883DEST_PATH_IMAGE099
的一阶微分，
将姿态角误差方程、速度误差方程、位置误差方程合并，得到卡尔曼滤波算法的状态方程：
Figure 244439DEST_PATH_IMAGE100
其中，
Figure 146668DEST_PATH_IMAGE027
为
Figure 207027DEST_PATH_IMAGE028
的一阶微分，F为状态转移矩阵，G为15维单位矩阵，W为***噪声，所述 ***噪声W根据MINS陀螺仪、MINS加速度计的器件精度等级设定，
状态转移矩阵F的表达式如下，
Figure 760369DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 880771DEST_PATH_IMAGE030
Figure 736207DEST_PATH_IMAGE102
Figure 600258DEST_PATH_IMAGE032
Figure 8106DEST_PATH_IMAGE033
Figure 299410DEST_PATH_IMAGE034
Figure 910651DEST_PATH_IMAGE035
Figure 437447DEST_PATH_IMAGE103
Figure 575167DEST_PATH_IMAGE104
Figure 912739DEST_PATH_IMAGE038
Figure 135910DEST_PATH_IMAGE039
其中，矩阵
Figure 731976DEST_PATH_IMAGE040
为状态转移矩阵F的子块，矩阵
Figure 724203DEST_PATH_IMAGE041
均为矩阵
Figure 232676DEST_PATH_IMAGE040
的子块，矩阵
Figure 677564DEST_PATH_IMAGE042
均为矩阵
Figure 811742DEST_PATH_IMAGE043
的子块，
Figure 658475DEST_PATH_IMAGE044
为
Figure 334920DEST_PATH_IMAGE105
的转置矩阵，
Figure 391737DEST_PATH_IMAGE106
表示由微机电惯性测 量单元测得的母船在导航坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在地球坐标系的投影，
Figure 204973DEST_PATH_IMAGE107
表示由微机电惯性测量单元测得的母船在导航坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度 在导航坐标系的投影，
Figure 781578DEST_PATH_IMAGE108
表示由微机电惯性测量单元测得的母船在导航坐标系相对于地 球坐标系的旋转角速度在导航坐标系的投影，
Figure 22067DEST_PATH_IMAGE109
为微机电惯性测量单元的加速度计所测 量的比力值，
Figure 300602DEST_PATH_IMAGE110
表示微机电惯性测量单元在导航坐标系下测量得到的速度值，
Figure 651948DEST_PATH_IMAGE111
表示微机 电惯性测量单元在导航坐标系下测量得到的东向速度值，
Figure 348640DEST_PATH_IMAGE056
表示微机电惯性测量单元在导 航坐标系下测量得到的北向速度值，
卡尔曼滤波算法的位置误差量测方程如下：
Figure 760030DEST_PATH_IMAGE112
其中，
Figure 525861DEST_PATH_IMAGE113
表示位置误差向量，
Figure 556265DEST_PATH_IMAGE114
表示微机电惯性测量单元测得的高度值，
Figure 966517DEST_PATH_IMAGE115
表示 微机电惯性测量单元测得的经度值，
Figure 673442DEST_PATH_IMAGE116
表示微机电惯性测量单元测得的纬度值，
Figure 697809DEST_PATH_IMAGE117
表示 母船导航***测得的高度值，
Figure 390959DEST_PATH_IMAGE118
表示母船导航***测得的经度值，
Figure 45931DEST_PATH_IMAGE119
表示母船导航系 统测得的纬度值，
卡尔曼滤波算法的速度误差量测方程如下：
Figure 533544DEST_PATH_IMAGE120
其中，
Figure 290279DEST_PATH_IMAGE121
表示速度误差向量，
Figure 787119DEST_PATH_IMAGE122
表示微机电惯性测量单元在导航坐标系下测量得 到的天向速度值，
Figure 296598DEST_PATH_IMAGE123
表示多普勒计程仪在导航坐标系下东向的速度测量值，
Figure 96058DEST_PATH_IMAGE124
表示多普 勒计程仪在导航坐标系下北向的速度测量值，
Figure 199143DEST_PATH_IMAGE125
表示多普勒计程仪在导航坐标系下天向 的速度测量值，
将位置误差量测方程与速度误差量测方程合并，得到卡尔曼滤波算法的量测方程：
Figure 358729DEST_PATH_IMAGE057
其中，H为量测矩阵，V为量测噪声，所述量测噪声V根据母船GNSS的测量精度设定，
量测矩阵H的表达式如下，
Figure 863660DEST_PATH_IMAGE126
其中，I为单位矩阵，
Figure 834021DEST_PATH_IMAGE059
为多普勒计程仪在载体坐标系下的速度测量值。
本发明针对水下蛙人导航定位的特点，以低成本、微小型的微机电惯性测量单元与多普勒计程仪一体式设计，并对两者的信息进行融合，实现水下没有GPS、北斗等信号的环境下，不依赖任何外部信息，对水下蛙人、小型运载器的导航定位，能够满足水下蛙人导航的自主性强、体积小、功耗低、成本低廉、使用方便的特点；信号转换模块能够通过多种方式将导航结果输出至蛙人运载器，使导航装置具有较强的通用性；通过一体化设计，可以有效降低导航装置的整体体积，适应蛙人运载器、小型机器人狭小安装空间；密封圈及过盈配合的方式能够提高舱盖与密封舱体间的密封性，泄压孔的设置便于舱盖的安装或者拆卸，在安装好舱盖后，气密塞用于对泄压孔进行封堵；安装底板的设置便于DVL的前期装配及后期维护，凹槽的设置使得DVL与密封舱体的结构更加紧凑；盲孔能够完全避免导航装置外部的液体从凹槽底面的螺栓孔位置渗入至密封舱体内部，对密封舱体内部的各个模块起到保护作用；导航装置初始对准方法通过母船GNSS辅助导航装置完成方位初始对准，在传递过程中，母船GNSS的位置数据、速度数据直接装订至导航装置，姿态误差角、MINS陀螺仪常值误差及MINS加速度计常值误差则通过卡尔曼滤波得出，进而实现导航装置的方位初始化参数装订，使其可以进入下一阶段的导航。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水下一体式自主导航装置，包括导航计算模块，其特征在于，还包括信号转换模块、数据存储模块、微机电惯性测量单元和多普勒计程仪，其中，
所述微机电惯性测量单元用于采集蛙人运载器的角速度、加速度数据；
所述多普勒计程仪用于采集蛙人运载器的运动速度数据；
所述信号转换模块分别与微机电惯性测量单元、多普勒计程仪和导航计算模块相连接，用于接收微机电惯性测量单元和多普勒计程仪采集的数据并传输至导航计算模块；所述信号转换模块还用于接收母船导航***的位置、速度和方位角数据并传输至导航计算模块；
所述导航计算模块用于处理母船导航***提供的位置、速度和方位角数据，通过卡尔曼滤波算法以对微机电惯性测量单元进行初始对准；所述导航计算模块还用于处理微机电惯性测量单元和多普勒计程仪采集的数据，通过卡尔曼滤波算法以得到优化的导航结果，
所述卡尔曼滤波算法的状态向量X的表达式如下：
Figure 449825DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 711174DEST_PATH_IMAGE004
表示微机电惯性测量单元在东向的姿态误差角，
Figure 959752DEST_PATH_IMAGE006
表示微机电惯性测量单元 在北向的姿态误差角，
Figure 948437DEST_PATH_IMAGE008
表示微机电惯性测量单元在天向的姿态误差角，
Figure 231651DEST_PATH_IMAGE010
表示微机电 惯性测量单元在东向的速度误差，
Figure 398321DEST_PATH_IMAGE012
表示微机电惯性测量单元在北向的速度误差，
Figure 134196DEST_PATH_IMAGE014
表 示微机电惯性测量单元在天向的速度误差，
Figure 660992DEST_PATH_IMAGE016
表示微机电惯性测量单元纬度的位置误差，
Figure 798712DEST_PATH_IMAGE018
表示微机电惯性测量单元经度的位置误差，
Figure 136284DEST_PATH_IMAGE020
表示微机电惯性测量单元高度的位置误 差，
Figure 359455DEST_PATH_IMAGE022
表示微机电惯性测量单元的陀螺仪x轴的零偏值，
Figure 689942DEST_PATH_IMAGE024
表示微机电惯性测量单元的陀螺 仪y轴的零偏值，
Figure 682169DEST_PATH_IMAGE026
表示微机电惯性测量单元的陀螺仪z轴的零偏值，
Figure 377592DEST_PATH_IMAGE028
表示微机电惯性测 量单元的加速度计x轴的零偏值，
Figure 960496DEST_PATH_IMAGE030
表示微机电惯性测量单元的加速度计y轴的零偏值，
Figure 704461DEST_PATH_IMAGE032
表示微机电惯性测量单元的加速度计z轴的零偏值，
Figure 941407DEST_PATH_IMAGE034
表示导航装置与母船之间的安装 误差角，
所述卡尔曼滤波算法的量测向量Z的表达式如下：
Figure 745415DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 818545DEST_PATH_IMAGE038
表示母船当前所处高度值，
Figure 366201DEST_PATH_IMAGE040
表示母船当前所处经度值，
Figure 457653DEST_PATH_IMAGE042
表示母船当前所处纬 度值，
Figure 698142DEST_PATH_IMAGE044
表示母船在东向的速度测量值，
Figure 727409DEST_PATH_IMAGE046
表示母船在北向的速度测量值，
Figure 78756DEST_PATH_IMAGE048
表示母船在天 向的速度测量值，
Figure 24715DEST_PATH_IMAGE050
表示母船的方位角；
所述信号转换模块还用于接收导航计算模块计算的导航结果并输出至蛙人运载器；
所述数据存储模块与导航计算模块相连接，用于存储微机电惯性测量单元采集的角速度和加速度数据，多普勒计程仪采集的运动速度数据，导航计算模块计算的导航结果以及信号转换模块接收到的母船导航***位置、速度和方位角数据。
2.根据权利要求1所述的一种水下一体式自主导航装置，其特征在于，还包括顶端开口的密封舱体和扣合至密封舱体顶端的舱盖，所述密封舱体内侧中部凸设有卡阶，所述卡阶固接有安装板，所述微机电惯性测量单元固接至安装板下方，所述安装板上方固接有数据存储模块、导航计算模块和信号转换模块，所述多普勒计程仪固接至密封舱体外侧下方，所述舱盖设有第一水密头插接件和第二水密头插接件，所述第一水密头插接件用于供电，所述第二水密头插接件用于数据传输。
3.根据权利要求2所述的一种水下一体式自主导航装置，其特征在于，所述舱盖下侧设有与密封舱体顶端开口过盈配合的插接部，所述插接部与密封舱体间设有密封圈，所述舱盖表面还设有泄压孔，所述泄压孔内设有相适配的气密塞。
4.根据权利要求2所述的一种水下一体式自主导航装置，其特征在于，所述多普勒计程仪上侧面通过第一螺栓固接有安装底板，所述安装底板设有凸出多普勒计程仪上侧面外周的外延部，所述密封舱体的底端设有与安装底板相适配的凹槽，所述安装底板嵌设于凹槽内，所述安装底板的外延部通过第二螺栓固接至凹槽底面。
5.根据权利要求4所述的一种水下一体式自主导航装置，其特征在于，所述第二螺栓在凹槽底面相对应的螺栓孔为盲孔。
6.根据权利要求1所述的一种水下一体式自主导航装置，其特征在于，所述信号转换模块设有以太网输出接口、RS422输出接口和CAN输出接口。
7.根据权利要求1所述的一种水下一体式自主导航装置，其特征在于，所述数据存储模块设有USB输出接口。
8.一种导航装置初始对准方法，用于权利要求1至7任一项所述的水下一体式自主导航装置，其特征在于，包括如下步骤：
S10，将导航装置固定到母船，使导航装置与母船导航***建立通讯连接；
S20，导航计算模块获取母船导航***的位置数据、速度数据装订至导航装置；
S30，导航计算模块获取母船导航***的方位角数据，微机电惯性测量单元采集的角速度、加速度数据，多普勒计程仪采集的运动速度数据，结合母船导航***的位置数据、速度数据，通过卡尔曼滤波算法得出导航装置的姿态误差角、微机电惯性测量单元的陀螺仪常值误差和微机电惯性测量单元的加速度计常值误差。
9.根据权利要求8所述的一种导航装置初始对准方法，其特征在于，所述S30步骤中，卡尔曼滤波算法的状态方程为：
Figure 436105DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 218247DEST_PATH_IMAGE054
为
Figure 107706DEST_PATH_IMAGE056
的一阶微分，F为状态转移矩阵，G为15维单位矩阵，W为***噪声，
状态转移矩阵F的表达式如下，
Figure 173751DEST_PATH_IMAGE058
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
Figure DEST_PATH_IMAGE061
Figure 362899DEST_PATH_IMAGE062
Figure 756971DEST_PATH_IMAGE064
Figure DEST_PATH_IMAGE065
Figure 778017DEST_PATH_IMAGE066
Figure 183722DEST_PATH_IMAGE068
Figure 936914DEST_PATH_IMAGE070
Figure DEST_PATH_IMAGE071
Figure 411758DEST_PATH_IMAGE072
其中，矩阵
Figure 783964DEST_PATH_IMAGE074
为状态转移矩阵F的子块，矩阵
Figure 434389DEST_PATH_IMAGE076
均为矩阵
Figure 217537DEST_PATH_IMAGE074
的 子块，矩阵
Figure 586201DEST_PATH_IMAGE078
均为矩阵
Figure 496520DEST_PATH_IMAGE080
的子块，
Figure 267029DEST_PATH_IMAGE082
为
Figure DEST_PATH_IMAGE084
的转置矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为载体坐标系与导航坐标系 之间的姿态变换矩阵，通过粗对准得到，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为地球自转角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为地球卯酉圈主曲率半 径，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
为地球子午圈主曲率半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
表示由微机电惯性测量单元测得的母船在导航坐标 系相对于惯性坐标系的旋转角速度在地球坐标系的投影，
Figure DEST_PATH_IMAGE096
表示由微机电惯性测量单元 测得的母船在导航坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度在导航坐标系的投影，
Figure DEST_PATH_IMAGE098
表示 由微机电惯性测量单元测得的母船在导航坐标系相对于地球坐标系的旋转角速度在导航 坐标系的投影，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
为微机电惯性测量单元的加速度计所测量的比力值，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
表示微机电惯性 测量单元在导航坐标系下测量得到的速度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE104
表示微机电惯性测量单元在导航坐标系下 测量得到的东向速度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
表示微机电惯性测量单元在导航坐标系下测量得到的北向速度 值，
卡尔曼滤波算法的量测方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE108
其中，H为量测矩阵，V为量测噪声，
量测矩阵H的表达式如下，
Figure DEST_PATH_IMAGE110
其中，I为单位矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE112
为多普勒计程仪在载体坐标系下的速度测量值。
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