一種基于虛擬移動長基線的多AUV協同導航算法

張福斌, 馬 朋

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一種基于虛擬移動長基線的多AUV協同導航算法

張福斌, 馬 朋

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

高精度的協同導航定位是多自主水下航行器(MAUVs)協同作業的基礎, 協同導航算法是多AUV協同的關鍵技術。針對雙領航者廣播通信模式下的多AUV協同導航系統, 基于移動長基線(MLBL)導航理論, 提出并建立了一種虛擬移動長基線(SMLBL)協同導航模型, 應用加權最小二乘法, 設計了基于單向水聲通信的協同導航算法, 使得跟隨AUV內、外部導航信息得到有效融合。仿真結果表明, 該算法可大幅度提高跟隨AUV的導航定位精度。

多自主水下航行器; 虛擬移動長基線; 協同導航定位

0 引言

在多自主水下航行器(multiple autonomous underwater vehicles, MAUVs)協同導航定位系統中, 利用水聲通信技術測量AUV間相對位置關系, 提高系統整體定位精度, 已成為國內外MAUVs導航定位領域研究重點。2000年, Larsen M.B[1-2]等提出了虛擬長基線(synthetic long baseline, SLBL)的概念, 并利用自行設計的SLBL和航位推算系統進行了試驗, 取得了不錯效果。2004年, Vaganay J[3]等在基于幾何解算的協同定位研究中, 首次提出“移動長基線”的概念, 即利用無人水面艦船或水面浮標充當可移動的長基線定位基陣, 通過AUV間的探測和定位方程的解算確定AUV的位置坐標。2005年, Curcio[4]等研究了基于移動長基線的協同定位算法, 利用時間同步信號和水聲傳播延遲進行相對位置測量, 對1個領航者、2個跟隨者進行了試驗, 并進行了誤差分析; Bahr A[5]等應用卡爾曼濾波對領航-跟隨式多AUV協同定位方法進行了研究, 并進行了試驗驗證。2008年, 張立川[6-7]等在測量水聲傳播延遲的條件下, 對多AUV協同導航算法進行了研究; Yao Yao[8]等研究了多AUV間的位置關系對協同定位精度的影響。2010年, 李聞白[9]等在基于單信標測距的水下協同導航系統中給出了可觀測性分析。

當前, 多AUV協同導航的問題與難點在于AUV間相對位置關系的測量, 而水下通信時間延遲及時鐘漂移都會對AUV協同導航定位精度造成影響。本文針對雙領航者廣播通信模式下的多AUV協同導航系統, 基于移動長基線(moving long baseline, MLBL)導航理論, 提出并建立了一種虛擬移動長基線(synthetic moving long baseline, SMLBL)協同導航模型, 應用加權最小二乘法, 設計了基于單向水聲通信的協同導航算法, 并進行了數學仿真驗證。

1 移動長基線定位系統

長基線(long baseline, LBL)水聲定位系統[10]通常是由基線長度為幾千米的海底應答器陣和被定位載體上的問答器組成。如圖1所示, 它利用各應答器與問答器間的聲波往返時間確定水下載體與各應答器間的距離, 并據距離信息, 通過定位方程解算得水下載體相對于海底應答器陣的相對坐標。在海底應答器陣絕對地理位置已知情況下, 解算出水下載體在大地坐標系的絕對位置。

LBL水聲定位的基線長度一般為100~6 000 m, 定位精度較高, 但在深水區使用時, 位置數據更新率較低, 布放、校準和回收作業過程較為繁瑣, 僅能提供固定區域的導航定位服務。近年來, 在傳統LBL水聲定位系統基礎上, 發展出了MLBL水聲定位系統, 最大特點是應答器不是固定布設在海底, 而是多布設在大型AUV上, 見圖2。

圖1 長基線水聲定位系統

圖2 移動長基線水聲定位系統

在MLBL水聲定位系統進行導航定位過程中采用單向水聲通信測距模式。步驟如下: 1) 所有AUV均統一內部時鐘; 2) 所有主AUV采用廣播方式以不同頻率同時發送水聲信息數據包, 包括時間、位置、位置估計方差等信息; 3) 被定位AUV在接收到水聲信息數據包后, 通過計算被定位AUV當前時刻與主AUV發送信息時刻間的時間差, 即可獲得兩者之間的斜距; 4) 利用主AUV位置信息以及計算所得斜距信息, 根據一定導航算法更新被定位AUV位置信息。

2 SMLBL定位系統

在基于雙領航者廣播通信的多AUV協同導航系統中, 領航AUV配置高精度導航定位設備和水聲通信裝置, 跟隨AUV配置低精度導航定位設備和水聲通信裝置, 協同導航過程中利用同步時鐘進行單向水聲通信測距。

圖3 虛擬移動長基線水聲定位系統

3 基于加權最小二乘的導航算法

3.1 AUV運動數學模型

3.2 基于加權最小二乘的協同導航算法

簡化上式為

寫為矩陣形式, 有

其中

4 時鐘同步問題

利用SMLBL進行協同導航過程中, AUV間相對位置關系的測量是決定導航精度的關鍵, AUV間距離測量誤差越大, 則跟隨AUV導航定位精度越低。為了降低AUV功耗, 提高數據更新速率, 選擇單向水聲通信測距模式, 領航、跟隨AUV均配備低功耗精確穩定的同步時鐘。單向測距法要求所有AUV內部時鐘時刻保持同步, 雖在AUV出航前可通過GPS授時等方式實現, 但隨著時間的增加, AUV內部時鐘電路必然會產生漂移, 從而對水聲距離測量精度造成影響, 進而影響跟隨AUV定位精度。AUV時鐘同步問題雖可通過外部GPS授時、內部時間協同等方式解決, 但非本文研究重點, 則另文重點分析。

5 仿真結果與分析

為了驗證算法的有效性, 進行MATLAB仿真分析研究。在本算法仿真中將AUV 3D運動簡化成2D運動。

圖4 領航和跟隨AUV的航行軌跡

圖4為跟隨AUV的真實軌跡以及協同定位軌跡; 圖5為跟隨AUV協同定位誤差與航位推算誤差的比較; 圖6和圖7為跟隨AUV的協同定位誤差。由圖6、圖7可以看出, 利用SMLBL協同導航定位算法, 可以有效地抑制跟隨AUV定位誤差增長, 大幅度提高導航定位精度。

圖5 跟隨AUV定位誤差

圖6 跟隨AUV協同定位x軸誤差

圖7 跟隨AUV協同定位y軸誤差

6 結束語

本文針對領航AUV廣播通信的多AUV協同導航問題進行了研究, 建立了SMLBL協同導航模型, 基于加權最小二乘法設計了一種多AUV協同導航算法, 并進行了仿真驗證, 結果表明, 所提算法能有效抑制跟隨AUV定位誤差增長, 提高其導航定位精度。

[1] Larsen M B. High Performance Doppler Inertial Navigation Experimental Results[C]//OCEAN 2000MTS/IEEE Confe- rence and Exhibition, Providence, RI, 2000: 1449-14.

[2] Larsen M B. Synthetic Long Baseline Navigatin of Under- water Vehicles[C]//OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, 2000: 2043-2050.

[3] Vaganay J, Leonard J J, Curcio A C, et al. Experimental Validation of the Moving Long Baseline Navigation Concept[C]// Proceedings of the IEEE Oceanic Engineering Society AUV 2004 Conference, 2004: 59-65.

[4] Curcio J, Leonard J, Vaganay J, et al. Experiments Inmoving Baseline Navigation Using Auto-nomous Surface Craft[C]// Proceedings of the 2005 MTS/IEEE Oceans Conference. IEEE, 2005: 730-735.

[5] Bahr A, Leonard J. Cooperative Localization for AutonomousUnderwater Vehicles[C]//In Proceedings of the10th International Symposiumon Experimental Robotics (ISER), 2006: 1-10.

[6] 張立川, 劉明雍, 徐德民, 等. 基于水聲傳播延遲的主從式多無人水下航行器協同導航定位研究[J]. 兵工學報, 2009, 30(12): 1674-1678.Zhang Li-chuan, Liu Ming-yong, Xu De-min, et al. CooperativeLocalization for Multi-UUV Based on Time-of-flight of Acoustic Signal[J]. Acta Armamentarii, 2009, 30(12): 1674-1678.

[7] 張立川, 徐德民, 劉明雍, 等. 基于移動長基線的多AUV協同導航[J]. 機器人, 2009, 31(6): 581-585.Zhang Li-chuan, Xu De-min, Liu Ming-yong, et al. CooperativeNavigation of Multiple AUVs using Moving Long Baseline[J]. Robot, 2009, 31(6): 581-585.

[8] Yao Yao, De-min Xu, Wei-sheng Yan, et al. An Optimal Measure Choosing Strategy to AUVs Cooperative Localization[C]// Proceedings of 4thIEEE Conference on Indu-strial Electr- onic and Application(ICIEA), 2009: 1889-1894.

[9] 劉明雍, 李聞白, 劉富檣, 等. 基于單信標測距的水下導航系統可觀測性分析[J]. 西北工業大學學報, 2011, 29(1): 87-92. Liu Ming-yong, Li Wen-bai, Liu Fu-qiang, et al. Observability Analysis for Underwater Navigation System Based on Range Measurements with a Single Beacon[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2011, 29(1): 87-92.

[10] 田坦. 水下定位與導航技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2007.

A Cooperative Navigation Algorithm of Multiple AUVs Based on Synthetic Moving Long Baseline

ZHANG Fu-bin, MA Peng

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

High precision cooperative navigation and localization are the bases for multiple autonomous underwater vehicles(MAUVs) cooperation, and cooperative navigation algorithm is the key technique of multiple AUVs cooperation. In a multiple AUVs cooperation system composed of two leader AUVs with high precision navigation sensors and multiple follower AUVs with low precision navigation sensors, assuming the follower AUVs receive the broadcast information from the leader AUVs using acoustic communication equipments, the distance between leader and follower AUVs, as well as the leader AUVs position information, can be obtained. In this paper, a cooperative navigation system model is established by taking the leader AUVs as the synthetic moving long baseline(SMLBL) nodes, a multiple cooperative navigation algorithm is proposed based on one-way acoustic broadcast communication from leader AUVs, and effective fusion of the internal and external navigation information of the follower AUVs is achieved. Simulation results indicate that the proposed algorithm can greatly improve the navigation accuracy of the follower AUVs.

multiple autonomous underwater vehicles; synthetic moving long baseline(SMLBL); cooperative navigation and localization

TJ630.33

A

1673-1948(2013)02-0115-05

2012-09-02;

2012-11-12.

國家自然科學基金(61273333), 西北工業大學基礎研究基金(JC20100224).

張福斌(1972-), 男, 博士, 副教授, 研究方向為水下航行器導航與控制技術.

(責任編輯: 楊力軍)