專利名稱：水下自主航行器auv自主定位方法
技術領域：
本發明涉及一種水下自主航行器(AUV)定位方法，屬于水下無線網絡領域。該發明同樣適用于水下無線傳感器節 點。
背景技術：
電磁波信號無法穿透水體，因此類似GPS等定位信號無法為AUV提供定位信息。同時目前AUV主要是單個應用或者有限個應用，協同定位方面并不是其研究重點。其主要定位技術是采用類似于“遙控”的遠程聲波定位控制技術，例如LBL(long baseline)、SBL(short baseline) USBL(ultra short baseline)等聲控定位技術。此外還出現了借鑒GPS定位技術的水面浮標(buoy)和水底錨標(anchor)定位技術。但這些技術在某些特定的應用場合都存在不足。例如，聲控方法有距離限制，并且當聲控設備和AUV之間存在遮擋物時會無法傳遞聲學信號。而浮標和錨標方法必須事先在規劃工作區域鋪設定位標識點，當其長期存在時，容易暴露目標，不利于隱藏，并且其補充能量也是個很大的挑戰。而在AUV的某些應用中，其工作區域無法提前獲知，更無法事先布設定位參照點。

發明內容
本發明的目的是無需采用傳統的水面或者水底定位錨標，讓高定位精確度的信息盡量擴散，協助低定位精確度的節點提高定位精度。只要AUV的定位精確度滿足設定要求，則該AUV就可以一直滯留水下進行工作，從而延長在水中滯留工作的時間。AUV是在水下工作，不同于陸上系統，陸上節點的速度和航向基本不受風力等外力干擾或者干擾甚微，可以忽略不計，水中航行的AUV受水流影響非常大。這會進一步加劇儀器產生誤差的概率或者范圍。有時即使AUV本身保持靜止，水流也會慢慢將其推離原有位置。因此，完全依靠AUV自身攜帶的導航儀器在水下航行會慢慢失去精確定位，從而失去應用價值。但水流也不是完全沒有規律的，在一定程度上具有連貫性，即是漸變的。所以在某種程度上我們可以依據前一段航行過程中水流對AUV定位精度的影響程度推斷下一個階段的影響程度。每個AUV在水下航行期間，由于無法預知追蹤儀器和水流對誤差造成的實時影響，所以我們無法預知AUV在水下航行時追蹤坐標的準確性，但實用中又需要了解在儀器和水流共同影響下的坐標準確性量化指標。為此，我們把坐標精確度依據精確度指標進行標注，稱之為λ。剛剛獲取GPS信號的AUV，具有最高定位精度，而在水下航行的AUV，由于其只能依靠所攜帶的儀器導航，并且由于累積誤差和水流等因素的干擾，其精度會慢慢降低，
這個降低的過程受儀器誤差和水流的雙重影響。設計λ=(i* ( - d)來體現
這兩者對精度的影響。其中tn是當前時間，tlu是此AUV上次坐標更新的時間，N是正整數，tut是AUV坐標更新的時間間隔，d(u,t)是AUV進行坐標更新時，更正后的坐標與儀器追蹤所得坐標之間的距離差，初始值為0，d(u,lu)是最新的兩次坐標更新之間航行過的距離，這個值可以通過最近的兩次更新時的坐標計算得出。為了防止出現除以O的情況，規定當d(u,t)=O時d(u,lu) = I (當AUV剛入水、或者AUV在某個位置保持不動時會出現d(u,t) = O的情況)，當d(u,t) Φ O時d(u,lu)取實測值。定位精度λ的第一括號內部分是迫使AUV的定位精度隨著其在水下航行時間的延長而下降，代表依靠儀器導航的定位精度會越來越低。第二括號內部分是考慮儀器誤差和水流導致的誤差對精度的綜合影響(因為在AUV航行過程中產生的誤差，很難判斷出是儀器造成的還是水流造成的，所以把兩種誤差影響放在一起綜合考慮)。綜合誤差相對于航行距離的比值越大，則迫使定位精度λ下降越快。由于第二部分取決于綜合誤差和之前航行距離的比值，屬于后驗值，因此其實質是依靠之前已知的綜合誤差影響推斷當前的綜合誤差范圍，這也是基于水流變化的漸變性。由于各AUV所攜帶儀器的精度不同、航行所在的水流不同、受水流影響造成的綜合誤差不同，因此一群協同工作的AUV其定位精度λ會各不相同。如果把定位精度看成溫度的話，則定位精度越高的AUV其“溫度”越高，那么我們的目標就是讓高溫的節點對低溫的節點進行加熱，只要某個節點能從周圍的鄰居那里獲得足夠的“熱量”，能維持在設定“溫度”以上，那么該節點就不用上浮到水面上通過GPS “加到最熱”。基于以上原理，本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步驟一、為每個AUV設定目標位置,然后讓AUV自主前往目標位置工作，當AUV入水前，由于可以得到精確的GPS定位信號，所以設定剛入水時各個AUV的定位精度λ = I;二、AUV下潛后，依靠自身所攜帶的導航儀器進行定位，并朝向事先設定的目標區域航行；三、各AUV定期向周圍廣播其坐標信息以及定位精度λ ;同時，當某個AUV收到其他AUV的坐標廣播時，會先根據聲波傳輸的速度和到達時間推算出兩者之間的距離d，將其坐標、定位精度λ、以及兩者之間的距離記錄下來，存入鄰節點列表中；每個AUV保存的鄰節點列表內容都有一定的有效期，超過有效期后如果沒有得到更新，則該項內容作廢，對應條目被清空；作為一種改進，用戶預先設定一個鄰節點距離值，如果d小于用戶設定的鄰節點距離值，則將其坐標、定位精度λ，以及兩者之間的距離記錄下來，否則不記錄。預先設定鄰節點距離值，主要是為了防止距離過大的兩個點互相設定為鄰節點，因為聲波在水中傳輸的距離越遠，其信號越微弱，接收誤差越大，同時由于穿越的不同水環境影響造成速度變化越大，由傳播速度和TOA推算的d誤差越大。四、各AUV實時計算定位精度
權利要求
1.一種水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步驟 一、為每個AUV設定目標位置,然后讓AUV自主前往目標位置工作，當AUV入水前，由于可以得到精確的GPS定位信號，所以設定剛入水時各個AUV的定位精度λ = I ; 二、AUV下潛后，依靠自身所攜帶的導航儀器進行定位，并朝向事先設定的目標區域航行； 三、各AUV定期向周圍廣播其坐標信息以及定位精度λ;同時，當某個AUV收到其他AUV的坐標廣播時，會先根據聲波傳輸的速度和到達時間推算出兩者之間的距離d，將其坐標、定位精度λ、以及兩者之間的距離記錄下來，存入鄰節點列表中；每個AUV保存的鄰節點列表內容都有一定的有效期，超過有效期后如果沒有得到更新，則該項內容作廢，對應條目被清空； 四、各AUV實時計算定位精度λ= (1 — a·*Cui) *(1 — d—汁Cftlir:)其中tn是當前時間，tlu是' 1 1 ，此AUV上次坐標更新的時間，N為任意正整數，tut是AUV坐標更新的時間間隔，d(u,t)是AUV進行坐標更新時，更正后的坐標和儀器追蹤坐標之間的距離差，初始值為0，d(u,lu)是最新的兩次坐標更新之間航行過的距離，為了防止出現除以O的情況，規定當d(u,t) =O時d(u,lu)=I,當d(u,t)古O時d(u,lu)取實測值；每當AUV的定位精度λ低于限定值,或者至少三個鄰節點的定位精度高于自身，此AUV就會進行坐標更新，坐標更新分三種情況 1)自身定位精度值λ低于設定限值 如果某個AUV判斷自己的定位精度λ低于設定值時，首先去查找自己的鄰節點列表，并選出λ值最高的三個鄰節點坐標信息；如果排第三高的鄰節點λ值高于其自身的λ值，則該節點嘗試利用定位精度最高的三個鄰節點信息對自身坐標及定位精度進行更新，如果獲得解則更新自己的坐標值，同時將λ更新為定位精度第三高的鄰節點的λ值；如果無解或排第三高的鄰節點λ值低于其自身的λ值，則放棄利用鄰節點更新，上浮獲取GPS坐標校正，每次上浮獲取GPS坐標值之后，將自身的λ重新設置為I ; 2)自身定位精度值λ不低于設定限值，但鄰節點中至少有三個點的定位精度高于其定位精度 這種情況下，此AUV也嘗試利用定位精度最高的三個鄰節點信息對自身坐標及定位精度進行更新，如果獲得解則更新自己的坐標值，同時將λ更新為定位精度第三高的鄰節點的λ值，如果無解則繼續自行導航、實時調整定位精度λ ； 3)自身定位精度值λ不低于設定限制，而且鄰節點中不存在至少三個點的定位精度聞于其定位精度 這種情況下，此AUV繼續在水下工作、導航、實時調整定位精度λ。
2.根據權利要求I所述的一種水下自主航行器AUV自主定位方法，其特征在于，在步驟三中，用戶預先設定一個鄰節點距離值，如果d小于用戶設定的鄰節點距離值，則將其坐標、定位精度λ，以及兩者之間的距離記錄下來，否則不記錄。
3.根據權利要求I或2所述的一種水下自主航行器AUV自主定位方法，其特征在于，根據定位精度最高的三個鄰節點的坐標更新自己的坐標值時，采用改進的“三點坐標定位法”假設待定位的AUV坐標為(X，y, ζ)，輔助其定位的三個鄰節點的坐標值分別為(X1, Y1, Z1)、(x2, y2, Z2)、(x3, y3, z3),待定位AUV到三個鄰節點的距離分別為(I1, d2, d3,對應的定位精度值為入，λ1 λ2 λ 3,并且有A2 > A3 >入，則求解方程組
全文摘要
本發明涉及一種水下自主航行器AUV自主定位方法，包括以下步驟一、為每個AUV設定目標位置，然后讓AUV自主前往目標位置工作；二、AUV下潛后，由于追蹤儀器和水流對誤差造成的影響，定位精度會慢慢下降；三、各AUV定期向周圍廣播其坐標信息以及坐標精確度λ；四、各AUV實時計算定位精度，每當AUV的坐標精確度λ低于限定值，或者至少三個鄰節點的坐標精度高于自身，此AUV就會進行坐標更新。本發明無需采用傳統的水面或者水底定位錨標，可以延長AUV在水中滯留工作的時間，并且為全分布式，無中心控制，無數量限制，對網絡拓撲結構無限制，可以利用正常通訊信息搭載坐標和精確度信息，有利于減少通訊量，技術成熟，運算負擔輕。
文檔編號G01S19/40GK102914786SQ20121036120
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者張全新, 仲彥, 王文明, 孫智, 李元章, 馬忠梅 申請人:北京理工大學