AUV慣性基組合導航虛擬仿真在實驗教學中的應用

［摘 要］ 為滿足實驗教學需求，基于vue3框架設計并開發了自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）慣性基組合導航虛擬仿真實驗平臺，以服務本科生的模擬真實海洋環境的導航實驗教學環節。該平臺集成了幾類經典導航傳感器模型和信息融合算法，學生可通過交互式可視化界面對運載體機動狀態、導航傳感器參數進行設置，從而獲得反映真實環境的傳感器模擬數據，并進行導航解算、重復觀察，揭示不同實驗條件、不同導航方式以及不同導航算法對于導航性能的影響。通過該虛擬仿真實驗平臺進行實驗教學，突破了傳統實驗教學的諸多限制，具有教學方法合理、實驗界面設計科學、代碼可移植性和擴展性好等優點，有助于學生深入理解慣性基組合導航原理。

［關鍵詞］ 自主式水下航行器；慣性導航；組合導航；虛擬仿真實驗平臺

［基金項目］ 2023年度江蘇省高校教育信息化重點研究課題“新工科背景下虛擬仿真平臺在多傳感器數據融合實驗教學中的應用”（2023JSETKT040）；2024年度教育部產學合作協同育人項目“多傳感器數據融合實踐平臺與特色人才培養課程體系建設”（230906747084517）

［作者簡介］ 馬曉爽（1992—），女，山東德州人，博士，無錫學院自動化學院講師（通訊作者），主要從事慣性導航與信息融合技術研究。

引言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle， AUV）作為一類重要的水下平臺載體，對我國建設海洋強國、捍衛國家安全和實現可持續發展具有極其重要的戰略意義［1］。AUV具有自主性好、無電纜束縛、機動靈活性強、作業范圍廣、體積小、噪聲低、隱蔽性好等優點，在軍事和民用領域具有廣闊的應用前景［2］。

高精度導航定位是AUV能夠成功完成作業任務且安全返回的技術保障［3］。AUV組合導航系統將多種水下導航技術的優點適當融合，不僅可以提高導航精度，而且可以適當地降低對單一導航系統器件的精度要求及系統成本，提高了系統的可靠性和容錯性能，是提高AUV水下導航系統性能的有效途徑之一［4］。AUV組合導航是一個技術難點大、影響因素多、涉及范圍廣并且復雜程度相對較高的自主導航定位系統，學生缺乏對實際系統的直觀認知，傳統的分組統一授課模式受到時間和空間限制，實驗過程難以具備靈活性、重復性和可操作性，既不利于實驗教學的成效，也抑制了學生的主觀能動性［5-6］。實驗技術人員及教師在傳統實驗過程中需要進行實驗項目準備，所有的實驗操作流程基本固定，學生通常只能遵守多項實驗規定，而缺乏必要的交互環節，實驗結果缺乏實時性［7］。在傳統實驗過程中，由于實驗設備、實驗環境等因素的影響，實驗教學只能集中于部分疑難點教學，大部分知識難以通過實驗教學進行驗證，從而使得實驗課程覆蓋率較低，無法幫助學生將所有知識在實踐中獲得驗證與鞏固，尤其是設備及理論知識更新較快，難以讓學生根據當下研究熱點進行實驗，影響了學生的知識更新與專業成長，不利于培養符合行業發展的創新型高質量人才［8］。因此，本文基于Vue3設計并開發了AUV慣性基組合導航虛擬仿真實驗平臺。通過建立AUV動力學模型、慣性導航系統、衛星導航系統、聲學導航系統等模型數據庫以及相關的信息融合算法庫，旨在解決實驗教學成本高、場地有限、操作復雜與實際條件難以滿足之間的矛盾，克服傳統教育與實踐之間的鴻溝。該虛擬仿真實驗平臺在降低教學成本、提高實驗安全性的同時，更能為學生提供近乎真實的操作體驗，使學生直觀形象地了解并掌握多傳感器融合技術在實際水下導航系統中的應用實例，激發學生的主觀能動性，培養學生建立科學的實驗方法體系，從而提高學生理論聯系實際的能力。

一、AUV慣性基組合導航系統方案

要實現AUV組合導航系統設計，需要完成大量的導航傳感器數據的采集。AUV水下組合導航在現階段主要以中高精度的捷聯式慣性導航系統（Strapdown InertialNavigation System， SINS）為核心，輔以多普勒測速儀（Doppler Velocity Log， DVL）、壓力深度計（Depthometer， DM）、磁羅盤（Magnetic Compass Pilot， MCP）以及各類輔助定位系統（聲學定位系統、地球場定位系統、衛星定位系統等）［9-10］。然而，各種實驗儀器、實驗設備、實驗材料的價格昂貴、折舊率高，而且具有一定的安全隱患［11］。此外，還要綜合考慮各傳感器測量機理、無線傳輸信號、海水介質以及水下工作環境帶來的各類導航信息源異構、區域性與階段性、更新頻率低、易被干擾的不可完全依賴性、時延不確定性以及精度變化等因素對導航定位性能的影響［12］。

除了需要采集大量的各類導航傳感器數據外，更重要的是對這些數據進行合理配置與有效融合，多源信息融合是決定AUV水下導航定位精度的關鍵技術之一。為此科研工作者開發了許多信息融合算法［13］。該虛擬實驗平臺將幾類經典導航傳感器模型和信息融合算法納入實驗環節，學生可通過交互式可視化界面對運載體機動狀態、導航傳感器參數進行設置，獲得反映真實環境的傳感器模擬數據，并進行導航解算，重復觀察和對比不同實驗條件、不同導航方式以及不同導航算法對于導航性能的影響。

二、虛擬仿真實驗平臺設計

整個AUV慣性基組合導航虛擬仿真實驗平臺的設計采用了層次化和模塊化的結構，分為三個主要層次：底層數據模塊、上層算法模塊和精度評估模塊，該設計使得數據流和處理過程清晰可見，便于系統的開發和維護。各個結構功能模塊及數據流走向如圖2所示。整個平臺的數據流向清晰明確：底層模擬器生成的數據可以靈活地輸入不同的上層算法模塊，算法模塊的輸出則匯總到精度評估模塊。

底層數據模塊是整個平臺的基礎，將AUV動力學模型、SINS、GPS、DVL、MCP、TAN、DM以及其他各類導航傳感器以模擬仿真形式加以提煉，建立各子系統及傳感器的數學模型或其誤差數學模型。這些模塊負責生成AUV及各種傳感器的模擬數據，模擬真實AUV導航系統中的各種傳感器輸出。平臺允許用戶手動設置和輸入各種參數，這種靈活的仿真條件設置功能使得用戶可以根據需要調整各種傳感器參數、初始條件以及AUV的運動軌跡，從而模擬各種不同的導航環境和條件。

上層算法模塊是平臺的核心，包含了不同導航模式下多種導航算法的實現，如純SINS導航解算模塊、SINS/GPS組合導航解算模塊、SINS/DVL組合導航解算模塊、SINS/TAN組合導航解算模塊，以及SINS/DVL/MCP/TAN/DM全源組合導航解算模塊等。這種設計允許用戶選擇不同導航模式、不同導航算法進行仿真，便于比較和分析不同算法在各種導航模式下的性能表現。上層算法模塊直接接收來自底層數據模塊的模擬傳感器數據，進行導航解算，然后將結果傳遞給精度評估模塊。

精度評估模塊位于平臺的最上層，負責對導航定位的輸出結果進行綜合評估和比較，包含了誤差分析、性能指標計算、數據可視化等功能，用于直觀展示和比較仿真結果，以增強用戶體驗和數據分析能力。

三、虛擬仿真實驗主要流程與實現

本項目主要采用自主式實驗方法，實驗項目以應用形式引入，將各個應用環節拆分為多個模塊并嵌入知識點，學生在操作應用流程時掌握知識點。同時，配備詳細實驗參考和實驗指導，學生完全能夠通過自主操作的方式完成AUV慣性基組合導航模擬實驗。具體實驗操作流程如下所示。

進入平臺之前進入用戶登錄界面，分為教師登錄和學生登錄，實現學生端和教師端的分離，從而方便教師進行授課以及整體算法和數據的導入。

登錄AUV慣性基組合導航虛擬仿真實驗平臺網頁主界面，點擊菜單欄，可進入相應環節。

依次點擊菜單欄上的各項內容，完成AUV軌跡設計、各類導航傳感器參數選擇和設置、導航模式與信息融合方法選擇等。

完成上述步驟，即可進行在線模擬，查看導航解算結果。通過點擊主界面的精度評估功能對實驗數據做進一步分析，確認實驗結果是否符合實驗要求。如果實驗結果存在問題，可返回重新設置實驗條件、調整實驗參數進行反復測試；如果實驗結果滿足實驗要求，則可通過菜單欄下的在線報告功能提交實驗報告。

按照系統引導，完成實驗報告撰寫并在線提交；系統自動生成題目，以檢測學生對實驗原理學習、實驗步驟操作以及實驗數據分析的理解和把握情況，把成績反饋至指導教師處，作為參考依據；指導教師根據學生的表現，按照預設加權值，綜合評定學生實驗成績。

四、主要創新點

（一）設計思路創新

AUV慣性基組合導航虛擬仿真實驗平臺主要是針對在水下導航定位過程中觀察、操作、重復難度大，成本高、設備更新慢，且與實驗空間、時間相對有限的矛盾而設計開發的。學生通過短短數個小時就能夠模擬整個AUV慣性基組合導航項目從需求到完成的一整套設計環節，能夠有效縮短實驗周期，有利于學生直觀全面地應用知識，提高學習效率和學習質量。

實際中的AUV水下導航系統不僅對實驗環境要求高，難以同時進行多組實驗；而且實驗儀器和實驗設備具有一定的安全隱患，需要投入大量的人力和物力來維持。通過虛擬仿真實驗平臺，不僅有效地克服了空間和時間上的限制，消除了安全性上的顧慮；而且保障每名學生都可以參與到實驗設計中，從而能夠提供較為理想的實驗平臺。

（二）教學方法創新

該虛擬仿真實驗平臺基于Vue3框架開發設計，學生可以通過網頁隨時登錄在線操作，不受傳統實驗教學時間和空間上的限制，方便學生自主學習。此外，該虛擬仿真實驗平臺具有良好的可移植性和擴展性。一方面，學生可以通過實驗平臺源代碼深入理解相關導航解算原理；另一方面可以鼓勵學生在虛擬仿真實驗平臺基礎上優化現有導航算法，添加新的導航算法以及新功能，從而實現創新研究型實驗教學的目的。

結語

本文基于Vue3設計并開發了AUV慣性基組合導航虛擬仿真實驗平臺，在此項實驗平臺上采用學生線上自主操作為主，教師線上指導為輔的探索性實驗教學方法。學生直觀形象地了解并掌握了多傳感器融合技術在AUV水下導航系統中的應用實例，學生得以更好地理解理論知識和技術在實際應用中的設計思路和開發流程。學生的主觀能動性得到激發，培養學生建立科學的實驗方法體系，提高了學生理論聯系實際的能力。教師可以從中清晰了解學生的學習效果和尚待解決的問題，有利于今后課堂教學的優化。此外，本實驗平臺還為師生提供了一個互動平臺，方便教師及時解決學生疑問，提高綜合教學質量。

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Application of AUV Inertial-based Integrated Navigation Virtual Simulation in Experimental Teaching

MA Xiao-shuang， GUO Jia-jie， ZHU Qiao-hong， HU Zheng-xin

（School of Automation， Wuxi University， Wuxi， Jiangsu 214105， China）

Abstract： To meet the demands of experimental teaching， the design and development of a virtual simulation experimental platform is presented in this paper for Autonomous Underwater Vehicle （AUV） inertial-based integrated navigation based on the Vue3 framework.This platform is intended for a wide range of students to conduct navigation experimental teaching sessions that mimic real marine environments. The platform integrates several classic navigation sensor models and information algorithms. Students can set the AUV maneuvering state and navigation sensor parameters through the interactive visual interface， obtain sensor simulation data reflecting real environments， and perform navigation calculations. Furthermore， students can repeatedly observe and compare the impacts of different experimental conditions， navigation methods， and navigation algorithms on navigation performance. Experimental teaching through this virtual simulation platform breaks through many limitations of traditional experimental teaching methods. It boasts reasonable teaching methods， scientifically designed experimental interface， good code portability and scalability， and facilitates students’ in-depth understanding of the principles of inertial-based integrated navigation.

Key words： Autonomous Underwater Vehicle （AUV）; inertial navigation; integrated navigation; virtual simulation experiment platform