[发明专利]一种基于系统可观测度的多水下无人艇协同运动编队设计方法

说明书

本发明公开了一种基于系统可观测度的多水下无人艇协同运动编队设计方法，属于多UUV协同导航定位技术领域。首先，利用李导数弱可观测理论对系统可观测性进行初步分析，判别系统是否是可观测的，然后再利用矩阵条件数理论对系统可观测度进行定量的分析，最后根据计算得到的系统可观测都计算式设计多UUV协同系统编队运动方案。从而实现在不改变系统中惯性器件的测量精度的同时，通过提高系统运行时的可观测度使得系统整体的定位精度得到提高。本发明针对单主艇协同系统、双主艇协同系统分别进行了设计，以使得协同系统在运行过程中能够保持较高的可观测度，从而实现系统整体定位精度提高的目的。

技术领域

本发明涉及一种基于系统可观测度的多水下无人艇协同运动编队设计方法，属于多UUV协同导航定位技术领域。

背景技术

近年来，随着对海洋的不断深入探索，水下无人艇相关技术蓬勃发展。水下无人艇(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)是一种无人操控可独立完成任务的水下航行器，具有体积小巧、造价低廉、灵活可靠等众多优势，在军事反潜、海域侦察、资源探索方面发挥着越来越重要的作用。由于UUV所处的水下环境复杂，高频电磁波信号在水下传播时会遭到大幅度衰减，因此基于电磁波信号传输的GPS等导航定位信息无法应用在UUV系统中。这使得导航定位问题成为UUV发展的重要挑战。由陀螺仪和加速度计组成的惯性导航系统是目前最常用的水下定位方法。然而，这种导航定位系统由于其自身惯性元器件会因在水下工作时间的延长而导致定位误差不断累积的特性，使得这种导航定位方式不适合UUV进行水下长时间的作业。

在复杂的海洋环境下，相对于电磁波通信技术，水声通信传输时衰减小，传输距离远。因此近年来，利用水声通信技术测量UUV间的相对运动距离，彼此共享位置信息并通过一定滤波算法实现对自身位置信息进行校正的协同定位技术，已成为UUV定位领域的重点研究问题。相比于单个UUV工作时需为每一条艇都配备高精度的导航定位设备以达到精准作业的目的，多UUV系统协同工作时只需在系统中为1～2条主艇配备高精度的导航定位设备，其余从艇只需携带通信设备以及低精度的导航定位设备，利用协同定位技术即可使得系统整体的定位能力大大提高，大大降低了成本。同时UUV系统协同工作有着以下突出优势：1)多UUV系统能够利用各个UUV的性能以实现集体决策以及系统级稳定；2)多UUV系统可扩展性高，系统内个别UUV的增减不会对系统造成决定性影响；3)由于多UUV系统具有极强的稳定性和可扩展性，因此多UUV系统鲁棒性强；4)多UUV系统协同工作，能够完成单体无法完成的任务。

多UUV协同定位系统的定位精度与系统的可观测性息息相关。在运动过程中只有当协同系统可观测时，才能够根据系统中的量测信息准确估计系统的状态。而若系统是不可观测的，则无论使用哪种滤波估计方法都不能准确地估计出系统的状态。系统可观测度可以定量的描述系统的可观测性情况，当系统的可观测度为零时，系统不可观测，此时系统的状态无法通过滤波算法准确估计得到；当系统的可观测度越大时，系统的可观测性越好，这样系统根据量测信息估计的状态信息更准确。系统不同的编队构型会产生不同的可观测性，因而经滤波之后定位的精度也是不同的。

针对以上存在的问题，本发明设计了一种基于系统可观测度的多水下无人艇协同运动编队设计方案，并针对单主艇协同系统、双主艇协同系统分别进行了设计，以使得协同系统在运行过程中能够保持较高的可观测度，从而实现系统整体定位精度提高的目的。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于系统可观测度的多水下无人艇协同运动编队设计方法，以解决现有技术存在的问题，针对单主艇协同系统、双主艇协同系统分别进行了设计，以使得协同系统在运行过程中能够保持较高的可观测度，从而实现系统整体定位精度提高的目的。

一种基于系统可观测度的多水下无人艇协同运动编队设计方法，所述运动编队设计方法包括以下步骤：

步骤一、对协同系统进行可观测度计算；

步骤二、依据计算得到的可观测度算式设计协同运动编队运动方案。