[发明专利]一种适用于小型水下机器人的组合导航方法

说明书

一种适用于小型水下机器人的组合导航方法，属于水下机器人技术领域。该组合导航方法利用优势互补的北斗卫星定位系统和SINS惯性导航系统，有效解决水下机器人长距离航行时定位误差发散的问题，使用自适应的卡尔曼滤波算法使导航定位更加准确。在导航系统初始化后，水下机器人的上位机实时采集北斗卫星定位模块和SINS惯性导航模块数据，并对卫星定位数据和水下机器人初始位置的计算结果实时地进行有效性检验，最后通过北斗卫星定位数据对惯性导航的位置信息进行在线修正。本发明利用简单硬件设备，对北斗卫星定位信号和惯性导航原始输出结果的有效性进行检测；装置简单、稳定可靠，导航修正结果实时、准确，可广泛用于小型水下机器人导航定位领域。

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，涉及一种适用于小型水下机器人的组合导航方法。

背景技术

水下机器人工作范围广，具有较大的航程，在科研调查中发挥着日益重要的作用，实时、精确、廉价的导航定位方法是目前水下自主航行器技术发展的重点，但是机器人内部的惯性导航模块的导航误差随时间积累，长时间航行时误差发散使导航失败，需要及时的利用其它导航方式组成组合导航对水下机器人位置进行修正，保证定位精度。我国自主研制的北斗导航定位系统具有较高的定位精度并可全天候实时地提供北斗定位信息，北斗定位信息与可连续输出位姿信息SINS惯性导航系统具有高度的优势互补性，但电磁波在水下衰减剧烈极大地限制了卫星定位系统在水下自主航行器上的运用。小型水下机器人工作深度有限，提供了使用卫星定位信息组成组合导航系统的可能，且传统的声学定位如长、短基线，设备成本高，铺设过程复杂，给小型水下自主航行器定位大材小用，同时随着电子技术的发展，高集成度、模块化的惯性导航设备和北斗卫星接收机设备，使水下机器人有了使用尽可能简单的硬件连接，达到可靠的导航定位的可能。

本发明使用模块化的捷联惯性导航和北斗卫星定位设备，提供了一种硬件设备简单，可对卫星信号和惯性导航原始输出结果进行检测的组合导航方法，可大大降低小型水下自主航行器的导航定位成本，具有较高的应用前景。

发明内容

本发明是利用优势互补的北斗卫星定位系统和SINS惯性导航系统，可有效解决水下机器人长距离航行时定位误差发散的问题，并使用一种自适应的卡尔曼滤波算法，使导航定位更加准确。针对小型水下机器人电子舱容量有效的特点，本发明尽可能地使用了少地、集成度高的硬件设备；由于水对电磁波的影响，利用北斗卫星定位信息前必须对卫星定位信息进行有效性检验，本发明利用卫星通讯协议的有效信息，提供了一种简单高效的判断方法，能同时对北斗定位信息和惯性导航原始输出结果进行有效性判断；针对水下自主航行器复杂的工作环境，提供了一种自适应的组合导航算法。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：

本发明提供一种组合导航方法，设备包括：无源天线、北斗导航模块、捷联惯性导航模块、导航计算机和深度计。所述无源天线直接与北斗导航模块相连，安装在水下机器人壳体外部，开启后将接收到的北斗定位系统发出的北斗导航电文信息传输至北斗导航模块。所述北斗导航模块根据导航电文计算出水下机器人的位置、速度和航向并传输给导航计算机。所述捷联惯性导航模块包括陀螺仪、加速度计、磁力计和捷联惯性导航芯片，实时传输水下机器人的各项运动参数，包括三维位移、三维速度、姿态角和航向角，并且通过捷联惯性导航芯片的积分运算输出水下机器人的三维速度和三维位移。所述深度计实时传输水下机器人深度给导航计算机导航。所述计算机按固定周期采集北斗导航模块、捷联惯性导航模块和深度计输出的信息，实时地分析并计算出水下机器人当前的位姿。所述水下机器人组合导航方法包括如下步骤：

第一步，水下机器人下水后，以北斗卫星导航数据对捷联惯性导航模块进行初始化。

1.1)水下机器人静止或运动过程中，捷联惯性导航模块完成姿态初始化；

1.2)等待导航计算机收到有效的北斗卫星定位数据，并确保卫星定位达到一定精度(GPGGA协议中，可用卫星数不小于4颗且HDOP小于10)，以卫星定位数据完成捷联惯性导航模块的位置、速度、航向的初始化；