基于测距声信标的深水机器人导航定位技术研究

基于水声测距的导航定位技术在水下机器人中获得广泛应用，并成为现今水下机器人技术的研究热点。不管从实际应用前景还是理论研究意义看，这项研究都具有巨大的研究价值，并极富挑战性。纯距离（Range-only）导航是对外部观测量仅有距离信息的一类导航问题的统称。本文研究了基于测距原理的“CR-02”AUV长基线定位系统的两方面问题，即长基线定位系统的应用及导航问题。 本文分别对测距系统存在不确定性和扰动情况下的接收性能、稳定性、检测延时估计以及距离修正、声传播特性对测距系统应用的影响进行了研究，设计了适用于微弱CW脉冲信号接收的高增益滤波放大器与检测电路，湖上试验和海上试验证明了声信标接收电路的优良性能。用蒙特卡洛方法对检测延时分布特征进行了统计分析，得到了检测延时的分布规律，该方法得到的检测延时结果和分布规律与实际物理实验完全吻合，为处理任意时变系统的延时特征提供了一种新的分析方法。在前人研究基础上，利用声线修正算法解决了长基线系统中的有关重要问题，这些方法在深海试验中得到成功应用，使得长基线系统更加可靠有效。提出一种新的垂线相交标定方法，根据几何原理直接求取声信标坐标。利用这个新方法，声信标位置标定精度大大提高，系统实现也相对简单，深海海上试验证明方法有效而可靠。 “CR-02”长基线定位系统仅具有对AUV的定位能力，但没有导航功能，为满足应用需要，本文以”CR-02”AUV为研究对象，在原有设备基础上扩展其导航功能，从而实现监控型AUV的导航能力。通过分析水下机器人导航系统能观性，制定了保证系统能观的机动航行策略，分别设计出水下机器人在三个声信标和固定单信标情况下的卡尔曼滤波导航方法。这些方法能够提高传统多信标系统下机器人导航的强容错能力和鲁棒性，还为水下机器人位置修正问题提供一种新方法。最后，在移动声信标条件下机器人导航问题深入分析基础上，提出主从式多UUV群体协作导航机制，给出了多UUV群体中随从UUV导航算法的计算机仿真结果。计算机仿真证明了方法的有效性和正确性。