[发明专利]一种基于IMU和TOF的水下机器人单信标导航方法

说明书

本发明公开了一种基于IMU和TOF的水下机器人单信标导航方法，属于机器人技术领域，包括建立单信标测距导航系统、惯性导航系统和数据处理中心，以单信标测距导航和惯性测量系统为研究对象，对水下机器人AUV的里程和姿态进行了测量，通过最大工作范围滤波器和状态接收阈值滤波器防止由于信标和接收器之间的时钟同步不准确、自发射信标的不准确状态估计、可能影响水声信号传输的各种水下环境条件等造成的TOF测距错误数据，解决了由于信标和接收器之间的时钟同步不准确、自发射信标的不准确状态估计和影响水声信号传输的各种水下环境条件所造成的TOF测距错误数据的技术问题，实现低成本、高精度的水下机器人导航功能。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于IMU和TOF的水下机器人单信标导航方法。

背景技术

水下机器人系统在海洋研究、海底地形勘测、军事领域得到了广泛应用，导航是水下机器人系统的一个重要组成部分，当前水下导航系统主要有以下几个方向。

全球定位系统(GPS)为地面、空中和水上机器人提供高精度和绝对位置测量，从而实现高精度导航解决方案，但是对于在水下机器人来说，因为射频信号在水中会快速衰减，因此全球定位系统(GPS)不能直接应用到水下机器人系统中。

长基线(LBL)声学导航方法是将水下机器人位置信息通过三角定位方法，定位到水下固定的测量声学应答器上，即通过固定位置的测量声学应答器进行定位计算提供绝对位置信息，但是这种导航方法存在工作覆盖范围受限、需要耗时进行测量计算等缺点。

超短基线(USBL)声学导航不需要固定传感器，但需要将位置数据与水下机器人(AUV)机载数据相融合，舰船通过声学包将超短基线(USBL)位置数据传输给水下机器人(AUV)，这通常会导致时间和数据延迟。并且长基线(LBL)和超短基线(USBL)导航系统价格均很昂贵，不能实现普及应用。

单信标测距导航通过接收GPS的水面信标并将其位置以声波包的形式发送给水下机器人，通过TOF方法在信标和水下机器人之间精确测距，从而实现精准定位水下机器人坐标。

当前单信标测距导航研究是声学导航方法的一个新的研究方向，为精准定位水下机器人XY坐标，减少XY坐标误差提供了一种新的导航方法(Z坐标是深度，是由压力深度传感器测量获得，因此不太需要考虑)。

单信标测距导航系统通过接收GPS的水面信标并将其位置以声波包的形式发送给水下机器人，通过TOF方法在信标和水下机器人之间精确测距。根据TOF计算，水面信标和水下机器人之间的距离是通过测量水下声速来确定的，这个距离用来约束水下机器人的位置估计，从而限制其XY位置误差。单信标测距导航的主要优点是，除了精确定位水下XY位置外，还能够部署多个水下机器人，每个水下机器人同时接收来自同一地面信标的位置数据声学包，因此每个水下机器人的位置都可以实时更新。

可观测性是单信标测距中重要组成部分。由于单信标测距仅提供一个约束，即仅提供了一个相对位置测量，而不是绝对位置测量，因此只能观测到水下机器人部分轨迹，这就需要对可观测性方法进行研究，优化水下机器人运动轨迹，增强其可观测性，使水下机器人导航解更为精确。

IMU惯性导航既可以作为导航传感器来确定水下机器人姿态，也可以作为里程计的输入，通过积分线性加速度来获得速度和位置。但是由于加速度计和陀螺仪的噪声水平、测量偏差和漂移误差较高，线性加速度的双重积分随着时间的推移会导致相当大的位置误差。

惯性导航(IMU)通常包含加速度计、陀螺仪和磁强计，分别测量线加速度、角速率和磁场强度。因此，惯性导航(IMU)既可以作为导航传感器来确定水下机器人的姿态，也可以作为里程计的输入，通过积分线性加速度来获得速度和位置。虽然IMU的尺寸、功耗和成本都在降低，但是由于加速度计和陀螺仪的噪声水平、偏差和漂移误差较高，线性加速度的双重积分随着时间的推移会导致相当大的位置误差，并且偏差误差会随时间产生漂移，这样使得惯性导航(IMU)不能满足许多导航应用要求。