[发明专利]水下机器人惯性导航方法及系统

说明书

本发明公开一种水下机器人惯性导航方法及系统，采用陀螺仪和加速度计这两种传感器来构成惯性传感器实现水下机器人的惯性导航，惯性传感器被旋转调制机构带动而进行包含两个相反方向的周期性翻转运动，利用两个相反方向翻转的相互抵消作用，直接对低精度、高漂移的传感器进行有效自补偿，采用矩阵奇异值分解算法补偿安装误差，同时采用HDR算法去除由于陀螺仪摇摆产生的偏差，显著降低陀螺仪的随机漂移误差，降低陀螺仪噪声，提高陀螺仪输出精度；利用卡尔曼滤波算法消除了整个系统中的随机误差，提高后续计算出的姿态矩阵的准确性。

技术领域

本发明涉及多功能水下机器人导航技术，尤其涉及一种水下机器人惯性导航方法及系统。

背景技术

水下机器人是开发海洋的手段之一，多数水下机器人只有浮游能力或爬行能力，能够实现浮游和爬壁的两种模式的水下机器人较为少见。模态切换水下机器人(Model-Converted ROV，MC-ROV)，是一种新颖的模块化、多功能、带缆遥控水下机器人，可以在浮游和爬行模态之间自由切换，被广泛应用于水下观察、浮游勘察、海底勘探、水下结构检修、海底管线检测、爬行清污以及水下安装等作业，已经成为海洋工程水下结构安全检测及维护的关键装备。精确的导航能力是水下机器人进行有效作业和安全回收的关键，为水下结构物检测、清污提供必要的技术支撑。水下机器人导航系统必须提供远距离及长时间范围内的精确定位、速度和姿态信息。但是由于受到水下环境的复杂性、机器人自身体积、重量、能源以及隐蔽性等因素的影响，实现高精度的水下导航仍然是一项艰巨的任务。惯性导航系统是水下导航最主要的导航方式，惯性导航系统是完全依靠自身设备进行导航的一种无源系统，依据牛顿惯性原理，利用陀螺仪、加速度计这些惯性传感器敏感元件测量物体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，通过积分输出载体的姿态参数和导航参数，由于其与外界不发生任何联系，不受环境的干扰影响，从而能够在相对封闭空间内进行较高精度的导航，具有隐秘性好的优点。实际上，惯性导航也可以理解为一种推算导航方法。由于惯性导航是通过对加速度二次积分而得到的。而陀螺仪会随时间不断漂移，这些都会导致惯性导航会存在累积误差，在长时间导航过程中，惯性导航必须要经过校正处理。

目前，捷联式惯性导航技术已经成为惯性导航发展的主流方向。捷联式惯性导航系统 (Strap-down Inertial Navigation System，简写SINS)是将加速度计和陀螺仪直接安装在载体上，在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算出载体坐标系与导航坐标系之间的关系，从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下的信息，然后进行导航计算，具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点。陀螺仪的漂移误差和加速度计的零值偏值是影响系统精度的最直接的和最重要的因素，因此如何改善惯性传感器的性能，提高惯性组件的测量精度，特别是陀螺仪的测量精度，一直是惯性导航领域研究的重点。中国专利申请号为201310544880.4的专利文献公开了一种用于标定AUV自主导航传感器参数的装置和方法，把GPS融入到该系统中作为补偿，实时为水下机器人提供速度信息、姿态信息和位置信息，该装置结构复杂，成本高昂。中国专利申请号为201410413791.0的专利文献公开了一种水下结构检测机器人实时导航系统及方法，把磁罗盘融入到该系统中作为补偿，与陀螺仪和加速度计的频域互补，以校正角速度矢量，算法复杂，成本较高。

姿态更新算法是捷联惯导系统算法的核心，有限转动的不可交换性是求取姿态方程数值解算过程中的一个主要误差源。1971年，Bortz提出的等效转动矢量微分方程，有效的解决了不可交换性误差的问题。如果利用当前以及前两次迭代周期内的陀螺仪输出角增量并引入航姿算法，能够明显提高姿态算法的精度。在捷联惯性系统中，采用毕卡法求解四元数微分方程时使用了陀螺仪的角增量输出。角增量虽然微小，但不可视作无穷小，而刚体做有限转动时，刚体的空间角位置与旋转次序有关，即存在不可交换性误差。等效旋转矢量法在利用角增量计算等效旋转矢量时，对这种不可交换误差做了适当补偿，在姿态更新周期内包含的角增量子样越多，补偿就越精确。