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水下機器人及其導航系統
發布日期：2021-09-17 來源： 點擊：
人工智能、機電、計算機、自動化、傳感器等技術的迅速發展，使人類發明、研制先進的海洋高科技裝備成為可能。水下機器人作為人類探索、開發水下世界的有力工具，正在水下工程、大洋科學考察等領域發揮著不可替代的作用。
水下機器人一詞源于機器人學。狹義上講，水下機器人是一種利用水下動力推進技術在水下運動，具有視覺和感知系統，能夠基于聲吶、水下攝像機、機械臂等任務載荷，通過遙控操縱或者自主方式輔助甚至代替人類去完成水下勘察、搜索、跟蹤等任務的潛水裝置。在自動化領域，水下機器人被看成是機器人的一類，是機器人相關技術在水下的特殊應用，屬于特種機器人范疇。在海洋工程領域，也可將水下機器人稱為無人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)、無人水下運載器、無人潛水器、無人潛航器或者無人潛器等。
▲ 水下機器人分類
從自主性角度將水下機器人分為自主水下機器人、非自主水下機器人和混合型水下機器人三類。自主水下機器人包括在水下采用走航模式航行的自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)和在水下采用滑翔模式航行的水下滑翔機(Glider)。非自主水下機器人是無人有纜的遙控式水下機器人(remote operated vehicle，ROV)。混合型水下機器人在深海與深淵探測領域產生，即一種兼具自主和非自主兩種模式的混合型遙控式水下機器人(hybrid remotely operated vehicle，HROV)。
下機器人的潛航定位是水下機器人可靠、準確地執行水下任務的信息保障和技術前提，是研究開發水下機器人的難點和熱點問題之一，也是人工智能和智能控制領域的國際前沿研究課題。由于水體的法拉第籠效應，水下機器人通常無法借助無線電導航系統實現水下遠距離、大范圍的準確定位，只能通過其他傳感器感知自身狀態和環境信息，因此水下機器人的導航系統更強調自持性和完備性。受艇體體積和搭載能力限制，水下機器人導航系統往往選用小體積、低功耗的慣性單元，這導致水下機器人導航系統通常存在定位精度低、定位誤差累積迅速等問題，需要盡可能地借助水聲設備為水下機器人導航系統提供誤差標校或輔助導航信息。由于水聲設備的豐富性和多樣性，往往需要根據作業環境、任務需求和傳感器類型靈活配置水下機器人的導航方式、系統結構及核心算法，因此針對水下機器人導航系統的研究尚有許多關鍵理論和技術問題亟待解決和完善。
▲ 航位推算和環境特征制圖位置的不確定性
同步定位與制圖(SLAM)算法被認為是移動機器人生成真正全自主能力的核心問題之一。對AUV 而言，由航位推算引入的噪聲，或者模型不確定性，都將導致AUV 的推位導航系統的定位誤差隨時間逐漸積累。又由于環境感知傳感器固定在AUV 上，當環境信息融入地圖中時，AUV 的定位誤差也一并被引入，導致AUV 如圖所示的航位推算和環境特征制圖位置的不確定性(由橢圓表示)越來越大。
《水下機器人導航技術》主要研究水下機器人導航定位和多水下機器人協同定位，重點介紹水下機器人導航定位相關技術的研究進展。本書共6 章。
? 第1 章介紹水下機器人的種類、定義以及常用的導航系統和應用實例，并對水下機器人導航系統幾種典型技術的發展現狀進行綜述；
? 第2 章首先對航姿參考系統(attitude and heading referencesystem，AHRS)中微慣性測量單元(micro inertial measurement unit，MIMU)進行標定，應用遞推Allan 方差算法辨識微機電系統(micro electro mechanical system，MEMS)慣性器件的各種誤差分量，應用時間序列分析法構建水聲多普勒測速儀(Doppler velocity log，DVL)中噪聲信號模型，基于S 面控制理論設計自適應Kalman 濾波器用于DVL 信號濾波；
? 第3 章提出具有磁偏角估計與修正能力的小型自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)組合導航系統的數據融合架構，基于微型航姿參考系統工作原理，提出磁偏角辨識算法，最后提出一種具有磁偏角自適應補償能力的小型AUV 組合導航系統數據融合算法；
? 第4 章基于強跟蹤均方根無損Kalman 濾波(unscented Kalman filter，UKF)算法，提出基于純距離觀測信息的慣導系統誤差修正算法，不但能夠準確跟蹤慣導系統的位置誤差，而且能夠對慣導系統的速度誤差進行辨識，從而實現對慣導系統位置誤差和速度誤差的全面補償；
? 第5 章基于Sage-Husa 自適應UKF 算法，提出一種水下機器人在結構化港口環境中的同步定位與建圖算法；
? 第6 章針對單領航者相對距離測量的多AUV 協同導航定位算法展開研究，建立基于定位誤差的單領航者協同導航定位系統的數學模型，并基于魯棒UKF 算法實現單領航者協同導航系統的數據融合策略。
▲ 基于單領航者相對位置測量的多AUV 協同導航網絡
多領航者協同導航定位雖然能夠有效地提高低精度水下航行器的導航定位精度，但是其要求至少有兩個主領航者。而基于單領航者相對距離測量的多AUV協同導航方法就是一種主從式多AUV 協同導航方法。
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