基于非線性濾波的AUV協(xié)同導(dǎo)航方法研究

發(fā)布時間：2020-05-30 17:23

【摘要】：自主水下航行器(Autonomous underwater vehicles,AUV)是人類開發(fā)海洋環(huán)境的重要工具,隨著探索活動的深入,應(yīng)用單體航行器執(zhí)行任務(wù)已經(jīng)不能滿足實際要求。多水下航行器協(xié)同作業(yè)依靠其強大的優(yōu)勢而受到越來越多的重視。受限于復(fù)雜多變的水下環(huán)境,多水下航行器高精度導(dǎo)航問題是航行器協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)亟待解決的首要問題。本文以此為研究背景,應(yīng)用非線性濾波方法,充分考慮水下受限條件,深入研究了自主水下航行器協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)。首先,本文分析了AUV協(xié)同導(dǎo)航算法面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),并根據(jù)高精度協(xié)同導(dǎo)航的受限條件提出了合理的協(xié)同導(dǎo)航方案,主要包括對多AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)建模、對系統(tǒng)模型的可觀測性進(jìn)行分析、確定AUV協(xié)同導(dǎo)航結(jié)構(gòu)、通信方式等,為下文中的AUV協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。然后,本文研究了基于分布式非線性卡爾曼濾波的AUV協(xié)同導(dǎo)航方法。針對集中式處理方式無法實時在線處理、計算量龐大、容錯能力差等缺點,提出了基于分布式結(jié)構(gòu)的AUV導(dǎo)航方法。在通信理想條件下,針對AUV非線性系統(tǒng),提出了基于擴展卡爾曼濾波和無跡卡爾曼濾波的協(xié)同導(dǎo)航方法,并對兩種方法進(jìn)行了仿真對比分析。接著,本文深入探索了基于分布式非線性信息濾波的AUV協(xié)同導(dǎo)航方法�？紤]到在水下復(fù)雜環(huán)境下協(xié)同導(dǎo)航面臨的嚴(yán)重的時延、通信帶寬受限等問題,本文利用信息濾波方法在分布式結(jié)構(gòu)中的諸多特有的優(yōu)點,提出了基于分布式非線性信息濾波的AUV協(xié)同導(dǎo)航方法。首先詳細(xì)推導(dǎo)了擴展信息濾波以及無跡信息濾波方法,然后以此為基礎(chǔ),給出了基于擴展信息濾波以及無跡信息濾波的AUV協(xié)同導(dǎo)航算法的關(guān)鍵步驟。該方法利用信息濾波結(jié)構(gòu)簡單、容易解耦的優(yōu)勢,將高精度AUV的關(guān)鍵歷史信息保留在信息向量與信息矩陣中,在信息傳遞時將關(guān)鍵歷史信息進(jìn)行信息差量傳遞。該方法充分考慮了通信延時問題,最大限度上緩解了信道帶寬限制問題,并且在低精度AUV濾波算法中跟蹤主、從AUV的信息相關(guān)性,符合協(xié)同導(dǎo)航實際應(yīng)用條件。之后,以基于分布式擴展信息濾波和無跡信息濾波的AUV協(xié)同導(dǎo)航方法為研究內(nèi)容,進(jìn)行了仿真對比分析,驗證了提出的協(xié)同導(dǎo)航算法的優(yōu)越性。最后,針對水下通信時異常噪聲干擾情況,本文提出了基于魯棒無跡信息濾波的AUV協(xié)同導(dǎo)航方法。以無跡信息濾波為研究基礎(chǔ),充分考慮在水下作業(yè)環(huán)境中,量測噪聲異常對信息濾波狀態(tài)估計方法的嚴(yán)重影響,本文應(yīng)用M估計方法對異常噪聲問題進(jìn)行處理,給出了基于魯棒無跡信息濾波的協(xié)同導(dǎo)航方法的關(guān)鍵步驟。通過設(shè)置合理的仿真條件,加入噪聲異常值以及非高斯厚尾噪聲,驗證了提出的魯棒信息濾波的可靠性。
【圖文】：