基于壓力傳感器陣列的AUV 姿態反演估計

王重陽 ,于化鵬 *,李子圓 ,2,趙德鑫

(1.軍事科學院 國防科技創新研究院,北京,100071;2.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室,黑龍江 哈爾濱,150001)

0 引言

自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)可以在很少甚至沒有人工干預下完成水下任務,自主導航是其完成各種任務的核心[1]。其加載的慣性導航系統(inertial navigation system,INS)根據加速度計和陀螺儀獲得加速度和角速度數據,進而解算得到AUV 位置、速度和姿態等信息,不受外界干擾,具有高度自主性[2]。INS 誤差隨時間累積,導航精度會快速下降。為抑制誤差累積,常采用多普勒計程儀(Doppler velocity log,DVL)作為輔助傳感器,與INS 形成組合導航系統,以此提升導航精度[3]。然而,INS/DVL組合導航存在價格昂貴、占用空間大且功耗高等問題,不適用于小型化、低成本AUV,因此小型化、低成本自主導航技術成為研究熱點。

仿生學研究表明,魚類利用側線系統可以感知體表壓力,通過探測壓力變化可以獲取導航信息[4-6]。受此啟發,研究人員提出許多利用壓力傳感器獲取AUV 姿態和速度信息的方法:Vitale 等[7]在水下遙控航行器(remotely operated vehicle,ROV)上安裝了多個壓力傳感器,利用伯努利原理進行公式推導,得到利用壓強數據獲取ROV 姿態和速度信息的方法,并指出壓力傳感器安裝距離大于4 m時,能得到較好的姿態信息;Meurer 等[8-9]提出在AUV 姿態變化時采用壓強數據估計速度的方法,并開展外場試驗驗證了所提速度估計方法的有效性。Baruch 等[10]利用最小二乘法得到利用壓強數據估計姿態的方法及其克拉美羅界(Cramer-Rao lower bound,CRLB),并通過仿真試驗分析壓力傳感器安裝布局和AUV 尺寸對姿態估計的影響,從而得到壓力傳感器最優布局方案。……