一种基于外积补偿的AUV动基座对准方法及系统与流程

本发明属于水下航行器及机器人的初始对准领域，具体涉及一种基于外积补偿的auv动基座对准方法及系统。

背景技术：

自主式水下航行器(autonomousunderwatervehicle，auv)在海洋环境的建模与资源的开采、水下目标的检测与识别、水下救险和打捞、水下设备检查等方面的应用越发重要。水下滑翔器导航与定位的精准性与实时性是使之按照预先设定的航线进行滑行的基础与关键。

惯性导航系统具有自主导航、保密性好、抗干扰能力强、导航参数丰富及短时间内导航精度高等特点。然而由于惯性传感器固有误差的存在，使得导航误差随时间积累，长时间导航精度较差。所以需要其他误差稳定的导航系统的辅助，对其累积误差周期性的修正，以使其更好的发挥自身优势。多普勒计程仪虽然精度低，但其误差能长时间保持稳定，由于两者的互补性，所以采用捷联惯性导航系统(strapdowninertialnavigationsystem,sins)和多普勒计程仪(dopplervelocitylog,dvl)组合的方式，能有效的减小误差，提高导航精度。

捷联惯性导航初始对准的目的是使系统建立起准确的初始导航坐标系，初始对准的误差是捷联式惯导系统的主要误差源之一，因此初始对准的精度与惯性导航系统的工作精度直接相关。对于静基座对准技术来说，无论在理论上还是在实际应用方面都已经比较成熟，成果也颇多，研究的意义已经不大，而捷联惯组在实际应用过程当中，由于周围环境的影响，是不可能满足静基座对准的假设条件，如惯性导航系统应用于auv时，auv会受海浪波动出现水中摇摆的情况，因此有必要研究动基座初始对准技术，这对提高auv在恶劣环境下的机动性有着重要意义。由于动基座粗对准仍有一定误差，所以还需要进行动基座的精对准，常采用的方法是非线性滤波或利用引入外部信息来实现捷联惯导系统运动中对准，但由于存在滤波时间过长容易产生滤波发散的现象，以及在引入外部信息的同时也引入了误差等问题，动基座精对准技术仍然很不成熟。如何使坐标系偏差能精确地补偿到坐标转换矩阵中，从而实现精确对准，目前还未有较好的策略。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出了一种基于外积补偿的auv动基座对准方法及系统，实现了坐标系偏差对坐标转换矩阵的精确补偿，提高了auv抗剧烈扰动的能力。

技术方案：本发明所述的一种基于外积补偿的auv动基座对准方法，包括以下步骤：

(1)使auv在起始点完成动基座的粗对准；

(2)使auv在短时间内由初始点航行到已知位置，并进行船位推算；

(3)分别对船位推算的位置信息和实际的位置信息建立位移向量s1和s2，并构造它们的外积向量，并用外积向量表示航向误差角；

(4)将求得的航向误差角补偿到重力加速度上，用精确的重力加速度去校正转换矩阵；转换矩阵不断更新，当航向误差角为0时，船位推算点和auv的实际位置点重合，得到精确的捷联矩阵，即导航坐标系与真实的导航坐标系重合，完成动基座的精对准。

进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：

(1)利用角速度和比力在载体坐标系上的投影与它们在导航坐标系上的投影之间的坐标转换关系，来计算初始坐标转换矩阵；

(2)由角度传感器输出的角度在微分后得到角速度，和陀螺仪输出的角速度进行比较后，输入滤波模块；由多普勒计程仪输出的速度在微分后得到加速度，和加速度计输出的加速度进行比较后，输入滤波模块；

(3)滤波模块推算角速度和加速度的最优估计值，导航计算机根据每次补偿后的陀螺仪和加速度计测得的载体坐标系下的角速度和比力，不断解算新的转换矩阵，由此基本消除了初始坐标转换矩阵中陀螺仪和加速度计的仪表误差，完成粗对准。

进一步地，步骤(3)所述的航向误差角为auv在坐标系中因推算轨迹和实际轨迹不同产生的偏差角，所述偏差角就是导航计算机计算出来的导航坐标系与真实的导航坐标系间的偏差。

进一步地，，步骤(3)所述的外积向量的方向为重力加速度的反方向。

本发明还提供一种基于外积补偿的auv动基座对准系统，包括捷联惯导系统、角度传感器、多普勒计程仪、导航计算机、船位推算模块和滤波模块，所述角度传感器用于对捷联惯导系统的陀螺仪进行补偿，以为auv的粗对准提供准确的角速度信息；所述多普勒计程仪用于对捷联惯导系统的加速度进行补偿，为auv的粗对准提供准确的比力信息，保证粗对准时坐标矩阵的精度，并为auv的精对准提供准确的重力加速度；所述滤波模块用于在校正转换矩阵时推算最优估计值；所述船位推算模块用于推算auv动基座粗对准完成后的初始航向信息，用于与实际航向信息比较，建立位移向量，为导航计算机解算航向误差角提供位置信息；所述导航计算机用于坐标转换矩阵的解算，在动基座粗对准时，根据每个时刻陀螺仪和加速度计测得的以载体坐标系表示的角速度和比力信息去更新转换矩阵，用于消除陀螺仪和加速度计的仪表误差；在动基座精对准时，根据由航向误差角得到的精确的重力加速度去更新转换矩阵，用于减小失准角。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、增加了船位推算模块，并增加了在auv粗对准完成后由起始点运动到已知位置的步骤，实现了将坐标系偏差显化为航向误差角；2、采用了外积补偿的方法进行auv动基座精对准，构造的外积向量实现了两个作用：一是能用于解算航向误差角，二是建立了航向误差角和重力加速度之间的联系；航向误差角包含了坐标系的偏差信息，而重力加速度是坐标转换矩阵中的参量，建立的两者的联系又使得偏差能补偿到重力加速度上，从而使得能用精确的重力加速度不断校正坐标转换矩阵，提高了校准精度。

附图说明

图1为基于外积补偿的auv动基座对准方法的总体框图；

图2为基于外积补偿auv动基座对准系统结构示意图；

图3为从起始点到位置已知点的航迹图；

图4为位移向量与构造的外积向量示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于外积补偿auv动基座对准方法，具体包括以下步骤：

1、使auv在起始点完成动基座的粗对准。

先从sins中获取陀螺仪和加速度计的直接量测值，利用角速度和比力在载体坐标系上的投影与它们在导航坐标系上的投影之间的坐标转换关系，计算出初始坐标转换矩阵；然后由角度传感器输出的角度在微分后得到角速度，对陀螺仪进行补偿，由多普勒计程仪输出的速度在微分后得到加速度，对加速度计进行补偿，不断修正陀螺仪和加速度计的仪表误差；将每次经过补偿的角速度和比力经过适当的滤波处理得到最优估计值，补偿到初始转换矩阵中，不断修正转换矩阵，最终完成粗对准，获得粗对准后的坐标转换矩阵。

2、在粗对准完成后，使auv在短时间内由初始点航行到已知位置(x1,y1)，在此过程中进行船位推算，船位推算轨迹会和实际轨迹有一个偏差角，如图3所示。对应于实际位置(x1,y1)的船位推算点是(x2,y2)。在船位推算误差已被校正的前提下，可知这个偏差角正是由于坐标系未对准导致的，因此坐标系偏差就体现为推算轨迹和实际轨迹的偏差角，于是本文把它形象得称为航向误差角，它反映了坐标系的对准状态，图3中的α即为粗对准后的初始航向误差角。对上述已知位置的选取作以下限制：首先，位置已知点应选的距起始点较远，这样能保证两个位移向量的模基本相等，从而能保证同时归一化成模为1；其次，位置已知点应与起始点同深度，这样auv在由起始点运动到位置已知点时，是在东北天(enu)坐标系中的e-n平面，从而能保证外积向量是沿天向，正好能对共线的重力加速度进行补偿，进而去修正转换矩阵。同时在由起始点运动到已知位置的过程中，要保证auv在此过程的行进速度要足够快且走直线，以防止固有误差的积累和保证航向误差角对坐标偏差的准确反映。

3、分别对船位推算的位置信息和实际的位置信息建立位移向量s1和s2，并构造它们的外积向量，计算航向误差角。如图4所示，具体方法如下：

①对向量s1和s2外积得到向量:ρ＝s1×s2，可知有|ρ|＝|s1|·|s2|·sinα,其中α为航向误差角，|·|为向量的模。

②由于已经经过了粗对准，所以认为角度α是一个小角是合理的，所以有sinα基本等于α；又由于当移动到的位置已知点距初始点足够远时，由于α是小角，可知|s1|基本等于|s2|；然后对这两个向量归一化，它们的模变为1，于是可以得到|ρ|＝1·1·α。可以发现位移向量s1和s2的外积可以用来表示航向误差角。

4、将求得的航向误差角补偿到重力加速度上，用这个精确的重力加速度去校正转换矩阵，直到航向误差角为0。

由于重力加速度是坐标转换矩阵中的参量，所以通过选取特殊的已知位置，使得构造的外积向量与重力加速度共线，又由于外积向量的模值就是航向误差角的大小，因此偏差能对重力加速度进行补偿，达到了偏差对坐标转换矩阵补偿的目的，最终解决精对准问题。具体方法如下：

①如图4所示，选取的已知位置要保证与auv同深度，因此向量s1和s2在东北天(enu)坐标系的e-n平面内，所以外积向量ρ正好沿东北天(enu)坐标系的u轴正方向，这正是重力加速度的反方向。又由于外积向量能表示航向误差角，因此通过此外积向量建立了航向误差角和重力加速度之间的联系，能用航向误差角对从加速度计中提取的重力加速度进行补偿。

②坐标系的偏差体现在航向误差角上，将此航向误差角α经滤波后，把其最优估计值补偿到重力加速度上，就相当于将坐标系的偏差补偿到了重力加速度上，用这个精确的重力加速度去校正转换矩阵，转换矩阵不断更新，当航向误差角为0时，船位推算点和auv的实际位置点重合，就得到了精确的捷联矩阵，即导航计算机计算出来的导航坐标系与真实的导航坐标系重合，完成动基座的精对准。

如图2所示，本发明所述的一种基于外积补偿auv动基座对准系统，包括捷联惯导系统、角度传感器、多普勒计程仪、导航计算机、船位推算模块和滤波模块；角度传感器用于对捷联惯导系统的陀螺仪进行补偿，以为auv的粗对准提供准确的角速度信息；其中多普勒计程仪用于对捷联惯导系统的固有误差进行补偿，保证其较为准确的输出，一是为auv的粗对准提供准确的比力信息，保证粗对准时坐标矩阵的精度，二是为auv的精对准提供准确的重力加速度；滤波模块用于在校正转换矩阵时推算最优估计值；船位推算模块用于推算auv动基座粗对准完成后的初始航向信息，用于与实际航向信息比较，建立位移向量，为导航计算机解算航向误差角提供位置信息；导航计算机用于坐标转换矩阵的解算，在动基座粗对准时，根据每个时刻陀螺仪和加速度计测得的以载体坐标系表示的角速度和比力信息去更新转换矩阵，用于消除陀螺仪和加速度计的仪表误差；在动基座精对准时，根据由航向误差角得到的精确的重力加速度去更新转换矩阵，用于减小失准角。