[发明专利]一种自主水下机器人的同时检测与定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle-AUV)的导航技术，属于海洋工程技术领域。

背景技术

自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle-AUV)是目前海洋工程领域技术发展的热点，在水下环境监测、近海石油工程作业、水下搜索与测绘、以及水雷对抗和实时战区警戒等军事领域获得越来越广泛的应用。而导航技术是实现AUV自主航行的关键。AUV所具有的工作时间长、环境复杂、信息源少、隐蔽性要求高等特点，给稳定、精确的导航实现带来很大的挑战。首先，由于电磁波在水下的快速衰减，传统的GPS卫星导航技术只适用于水体表层有限的区域；其次，基于声学导航的长基线和短基线定位技术需要预先布设或者船体安装外部信标，使得AUV活动范围受到限制；此外对于小型机器人而言，采用低成本、小体积的惯性导航技术或者航位推算技术，无法满足中、长程航行的导航要求。基于以上原因，发展适用于中、长航程的新型导航技术，并联合传统的惯性导航技术形成组合导航已成为目前水下机器人导航技术发展的重要趋势。

近年来国际上对于AUV导航技术的研究非常活跃，主要研究单位包括美国海军、麻省理工学院、Woods Hole海洋研究所、海军研究生院、佛罗里达大西洋大学等，欧洲的Norwegian Defense Research Establishment、KongsbergSimrad AS、NATO SACLANT水下研究中心，以及澳大利亚悉尼大学的Field机器人研究中心(Australian Centre for Field Robotics)等。水下导航技术通常需要在精度、操作距离和自动化程度等之间进行平衡，概括起来主要有以下几种类型：航位推算与惯性导航、声学信标导航以及地球物理导航。

由于水下声传播的透明性，声纳系统是AUV构成的重要组成部分，用于环境测量、地形测绘、成像及通信与定位。现有AUV航位推算仪中普遍使用的惯性导航系统(INS)、多普勒计程仪(DVL)存在时间二阶或一阶累积误差，造成的导航误差在一定时间以后变得难以接受，同时使所承载的海底地形测量、目标定位等产生较大的偏差。常规方法通过定期上浮在水面进行GPS修正，这在受时间和能量限制的深海操作或者需要隐秘性的操作中，是不实际的。基于声纳成像地形匹配的方法是目前水下导航技术研究热点之一。其执行需要航行区域的先验信息，而实际中通常面临的是未知环境，迫切需要AUV在成像的同时进行自身定位，无需先验信息的同时定位与地图创建(SimultaneousLocalization And Mapping，SLAM)技术正是在此背景下发展起来的。SLAM方法中利用概率进行估计的思想最早在1986年IEEE机器人和自动化学术会议上被提出。此后，Smith、Cheesman和Durrant-Whyte等人建立了描述地标与AUV运动几何轨迹之间相关性的统计学基础。同时，Smith等人提出了在未知环境下，把AUV成像与定位参数作为状态变量进行联合估计的思想，然而该方法的主要缺点是未知参数多、算法复杂且较难收敛。随着研究的深入，尤其是对地标之间相关性对AUV定位的影响等认识的加深，1995年的国际机器人研讨会上SLAM方法首次被明确提出，研究者把SLAM问题建模为单一的估计问题，论证了该估计问题的收敛性，并给出了一些初始结果。近年来，多家研究机构对SLAM导航方法进行了深入研究，并取得了重要进展，具有代表性的有美国的麻省理工学院，澳大利亚的悉尼大学等，其中麻省理工学院把基于卡尔曼滤波(KF)的SLAM技术应用于REMUS机器人，已在300m以上水深实际环境中取得可靠导航结果。

我国的水下机器人导航技术研究开始于上个世纪80年代。主要研究单位包括中科院沈阳自动化所、中科院声学所、哈尔滨工程大学、西北工业大学、中国海洋大学、中船重工有关研究所等，另外海军舰艇学院、上海交通大学、东南大学、华中科技大学以及浙江大学等也开展了有关的研究工作。早期研究主要以长基线和短基线定位为主，包括沈阳自动化所牵头研制的1000米水下机器人、6000米水下机器人等项目。近年来自主导航技术发展迅速，以航向传感器与多普勒计程仪的组合导航为主，辅以水面GPS修正，浙江大学与中船重工有关研究所联合研制的自主水下机器人利用组合导航技术在若干次实验中取得了航行距离0.3％至0.5％的导航精度，性能与国际同类系统相仿。然而对于SLAM技术的研究，在国内尚处于方法研究及硬件准备阶段，大规模实验尚未开展。