7水下导航与定位
导航与定位系统
通常将水下机器人的导航分为水面导航和水下导航两部分。
前者通常由水面母船来完成，即确定母船相对于地球坐标的位置；而水下导航则往往是相对于水面母船而言，将母船作为一个水面方位点来确定潜水器的水下相对位置。
水下机器人水下导航还可以划分为一般导航和终端导航。
一般导航是把水下机器人引导到目标附近。
终端导航是接近目标之后，能使潜水器的视野触及到局部感兴趣的海底和搜索目标。
由于电磁波在海水中的衰减十分迅速，10KHZ的电磁波每米衰减达3dB，这使所有无线电导航和雷达都无法在深海航行中使用，同时由于海水的低能见度和缺少海底的详细地形资料，近海导航常用的岸标或航标定位以及天文定位也会失效。
此外，由于潜水器经常活动在失事舰船或海底井口和油气管道附近，在这类地区，海底磁场亦经常出现异常，磁罗经的工作往往受到干扰。
因此，目前潜水器水下导航最有效的方法是推算导航和水声导航。
推算导航推算导航是根据已知的航位及水下机器人的航向、速度、时间和漂移来推算出新的航位。
它需要实时测得水下机器人的航向和速度，罗泾和计程仪是推算导航的基本设备。
罗泾是一种提供方向基准的导航仪器，它用于测定航向；计程仪用来测定航速和航程。
推算导航无需借助其他参考基准就能独立完成导航任务，设备极为简单，作为一种导航手段，占有一定的地位。
但由于测速仪器有较大的误差并受到水流等因素的影响，使得推算导航的积累误差随时间而不断增加，所以捍卫的推算不可能非常精确，实际上这是一种近似的方法，如有可能应随时间加以修正。
1.航向测定推算导航中用于航向测定的仪器主要磁罗经、电罗泾、方向陀螺仪。
磁罗经的优点是结构简单、可靠且不用电源。
但是它对当地的净磁场会有反应，故在罗泾附近的金属体、磁性体甚至仪器仪表等都可能会影响磁罗经的读数。
水下机器人体积小，磁罗经不可能远离上述物体，则水下机器人一般不用磁罗经。
方向陀螺可以指示出所需要的方向，在该方向上维持一段时间，有提供短期航向基准的功能，并且体积小、重量轻。
水下定位与导航简述
按工作原理或工作方式分类： 主动声纳
像雷达一样向外发射声信号，根据回波判断目标性质 被动声纳 不主动发射信号，只接收目标自己辐射的声音信号。 按运载体系分类： 岸基声纳 多布放在港口、军事基地、重要海上通道。 特点：固定式、尺寸大 舰载声纳 主、被动声纳都有。 作用：探潜、导航、探雷、目标识别等 艇载声纳 主、被动声纳都有，考虑到隐蔽性，多采用被动声纳
具体做法： 在海底放一个水声应答器作为基 准点，同时在船上布放三个水听 器进行应答测距。在下钻作业时 船上向基准点应答器发出脉冲， 应答器收到信号之后发出回答脉 冲，这回答脉冲被船上的三个测 距水听器收到，这时可以测出三 个水听器与基准应答器的距离。 当外界条件使船位移时，水声应 答器测距系统随即测出这三个距 离的变化。将这些数据送入计算 机，计算出船位的水平移动量， 再开动几个可变螺距的推进器， 使船复位，也就是使三个距离和 原来的一样。这样，船在不断运 动中保持位置不变。
水下定位与导航概述
航空航天学院 刘星 201522190310
1 水下定位与导航发展概况 2 水下定位与导航技术的简介 3 声呐方程基础 4 水下定位与导航技术在海洋资源 开发中的应用实例
1 水下定位与导航发展概况
1912年铁达尼事件
20世纪70年代，还有勘探及军事需求
获取水下信息最有效的转播载体是声
1、声纳方程
主动声纳方程： (SL 2TL TS ) ( NL DI ) DT 被动声纳方程：
SL TL ( NL DI ) DT
SL反映发射器辐射声功率大小 TL：传播损失，定量描述声波传播一定距离后强度的衰减变化 TS：目标强度，定量描述目标反射本领的大小 NL：海洋环境噪声（背景干扰） DI：指向性指数。越大表示声能在声轴方向集中的程度越高； DT：检测阈值。设备刚好正常工作的所需的处理器输入端的信噪比 值
水下机器人的定位与导航技术研究
水下机器人的定位与导航技术研究随着现代科技的不断进步，水下机器人的应用范围也越来越广泛，涵盖了科研、勘探、救援等多个领域。
而水下机器人的定位与导航技术是水下机器人核心技术之一。
水下机器人的导航技术主要是通过激光、声波等信号进行定位，而机器人定位的准确性对于水下作业的成功与否至关重要。
水下机器人定位技术的发展历程早期，水下机器人缺乏较为成熟和先进的定位技术，因此在海底勘探任务中会出现层层叠加、地图残缺的情况。
随着科技的进步，水下机器人的定位技术也得到了很大的改善。
在20世纪50年代，水下机器人首次使用声学信号进行距离探测和定位，标志着水下机器人定位技术的突破。
随后，在21世纪初，全球定位系统（GPS）的广泛应用，为水下机器人导航技术的发展提供了很大的支持。
随着声纳、激光和无线电波等定位技术的逐渐发展，现代水下机器人已经具备了比较高的准确性和可靠性。
水下机器人的定位方式水下机器人的定位方式主要有惯性导航、声纳导航、视觉导航等。
其中，惯性导航是指通过测量物体运动状态的加速度计和陀螺仪获取机器人位置的一种技术，由于惯性导航不需要外部支持设备，因此可在较长时间内提供机器人的精确定位。
其次，声纳导航是应用声纳波传播特性进行定位，声纳波在海水中传播受到水质、海流、海浪等因素的影响，因此容易受到环境因素的干扰。
还有一种方式是视觉导航，它依靠通过摄像头采集图像进行空间滤波和目标跟踪实现机器人的定位和导航。
水下机器人的导航方法水下机器人的导航方法主要有点对点导航、自主导航、协作导航等。
其中，点对点导航是指运用惯性、声学等方式通过设定目标点，机器人按照预设路径前进，靠近本体所在位置的目标点进行操作的一种导航方式。
其次，自主导航智能化程度更高，机器人可根据设定的任务需求进行自主导航，但在海底环境中因环境复杂等原因，自主导航依然存在诸多瓶颈问题。
协作导航是指多个水下机器人完成一个共同目标的一种导航方式。
通过协作，每台水下机器人彼此之间相互支持，提高了任务完成的效率和成功率。
水下导航定位技术的探究
水下导航定位技术的探究◎ 张文秀 忻州师院五寨分院摘 要：随着水下导航器技术的不断发展，导航系统成为水下航行器研究的主要技术核心，实现水下精确定位成为目前水下航行器定位导航系统研究的一个重要分支。
本文对几种常用自主导航方式的优缺点进行了对比，提出采用组合导航方式可以提高导航的可靠性和准确度。
关键词：水下航行器 组合导航 精确定位迄今为止，应用于水下航行器的导航方式一类是凭借于外部信号的非自主导航，另外一类则是凭借传感器得到信号的自主导航方式。
前者的导航基础是运载体可以接受到来自于外部信号的条件下才能完成导航，如罗兰、欧米加及其GPS等，三者中GPS凭借其广泛的信号面积导航能力更佳且更为准确。
然而，该导航方式存在着自身的不足，由于其信号来自于外部，主要的方式是无线电导航，信号衰减非常严重，非自主导航局限于水上之上的定位，在水下航行器中的应用十分有限。
对于后者，导航主要依靠自身配备装置的传感。
基于不同的传感装置，将自主导航方式分为很多类，如携带惯性测量装置的惯性导航系统、配备水声换能器的声学导航、装有地形匹配或者地磁传感器的地球物理导航等导航系统。
1.水下航行器常用导航方法1.1航位推算和惯性导航系统航位推算法主要是对航行器的速度进行时间的积分求积分来确定其所在的位置，应用比较早且范围较广。
为了得到航行器的航行速度，需要确定航行器的速度和航向，因此需要流速传感器或者是航向传感器来确定航行器的速度和航向。
采用流速传感器测量航行速度的过程中，海流会影响航行器的速度，且对流速的影响是流速传感器不能测到的，海流对流速的影响进而会产生导航误差，速度较慢航行较长的情况下，误差会很大。
惯性导航系统利用测量得到的航行器的加速度，经过一次积分运算计算出速度，两次积分运算得到航行器的位置，具有自主性、无需外界信息源以及隐蔽性的优点。
可以将其分为平台式和捷联式两种形式。
空间大小、功率以及价格的限制，普通的航行器均采用捷联式，该方式的导航系统（SINS）容易实现导航与控制的一体化。
水下定位与导航技术声学多普勒测速技术概述课件
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安装角度偏离误差及其校正 基阵安装误差带来的系统误差，可通过现场测速进 行校正。 由几何关系有两个速度之间的关系
安装角度与船的首尾线的几何关系
由多普勒测速仪可以得到的速度值为
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安装角度偏离误差及其校正
校准方法
安装偏移角的校正，可在海上进行。 船保持直线航行一段距离，例如几海里，在航速达到稳定
后利用差分GPS测量起止点的船位，根据航行时间得到船
的平均速度 vx、vy。
利用船上的高精度罗径得到的航向，算得船坐标系的两个
速度分量vx、vy 。在速度稳定航段中，利用多普勒计程仪 测得的两个速度分量同样也取平均值v’x、v’y.
计算安装偏移角
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安装角度偏离误差及其校正 校准方法
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5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
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噪声对频率测量的影响 过零检测法—测量N次过零的时间计算回波频率。
由公式可以看出，声速有多大的相对误差，将引起同样的测速 误差（相对误差）
进行声速补偿的方法
测量换能器表面处的声速，计算速度时使用现场测得的声速。
导流 测量换能器表明的温度，计算速度时使用现场测得的声速。
罩充 是利用专门的测量装置，测量温度、盐度和压力，再利用声速计
油，
算公式计算声速。
恒温
由声速的计算公式，只要保持
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水声定位导航概述
1 传统的导航手段 （1）路标导航 路标导航是利用罗经、测距仪及六分仪测定路 标的方位（船与路标连线与船舶所在子午线的夹 角）、距离或水平夹角等决定船舶位置的导航过 程。 （2）天文导航 天文导航是利用六分仪测定天空中具有一定 规律的天体（星、太阳、月亮）决定船舶位置进 行导航的过程。 （3）传统导航手段的特点 传统的导航手段只能在天气良好的条件下， 物标或天体的能见度良好时才能适用，而且观测 繁杂、速度慢、精度差。
8.4 水声定位与导航技术简介
水声定位与导航技术大体分为三类：水声定位技术、载 体声学测速技术和海底地形地貌测量技术。 8.4.1 水声定位系统 水声定位系统主要指可用于局部区域精确定位与导航的 系统。水声定位系统分为：长基线系统、短基线系统和超 短基线系统。 水声定位系统都有多个基元（接收器或应答器），这些 基元间的连线成为基线。
8.1 定位与导航概述
1 什么是定位与导航 定位与导航可以简单归结为怎样回答下面三个 问题： （1）我在什么地方？（2）我要到哪去？（3） 我怎样去那里？回答这三个问题必须要有一个参 照，也就是一个坐标系统，如以国家大地基准、 WGS-84坐标系统等为参考来回答这三个问题。 2 绝对定位与相对定位 海洋空间定位分为绝对定位和相对定位。以 国家大地基准、ITRF或WGS-84为参考的定位称 为绝对定位，如国家领海的划分等。小范围的海 洋活动需采用相对定位，如寻找石油井口或打捞 沉船等。
定量描述声波传播一定距离后声强度的衰 减变化：
I1 TL 10lg Ir
声纳参数
目标强度TS
定量描述目标反射本领的大小 ：
Ir TS 10 lg Ii
Q
C
目 标
r 1
P
Ir
1m
水下导航定位系统在水下作业中的应用
水下导航定位系统在水下作业中的应用【摘要】水下导航定位技术是一种集成了导航测姿、水声定位、GPS定位的综合性技术，可广泛应用于水下作业中，如引导潜水员进行打捞、对水下目标进行精确定位等等。
介绍了水下导航定位系统的组成结构，以及在水下作业中的应用。
【关键词】超短基线；水声定位；导航测姿；水下作业1.引言由于深水区域往往能见度较低，且水下周围一般没有参照物，因此潜水员在进行打捞、救助等水下作业活动时，常常会无法准确辨别自身所处位置，无法获知与工作船、打捞目标之间的相对位置关系，给水下作业带来一定困难。
为提高水下搜索作业效率，实现指挥员对潜水员的实时监控，需要配备水下导航定位系统，对潜水员的绝对位置进行精确定位，并引导潜水员进行水下作业。
2.水下导航定位系统的组成水下导航定位系统一般主要由超短基线水声定位系统（USBL）、导航测姿系统、GPS系统以及潜水导航系统组成。
如图1所示。
图1 水下导航定位系统组成2.1 超短基线水声定位系统超短基线水声定位系统主要由超短基线声基阵、声信标以及水声定位处理计算机组成。
超短基线声基阵向水下发送询问信号，声信标接收到询问信号后，向超短基线声基阵发送应答信号，水声定位处理计算机根据超短基线各基元接收到的应答信号的延时，来解算声信标的相对距离和方位，从而对声信标进行定位[1]。
声信标一般安装在待定位设备上或者由潜水员随身携带。
图2 法国iXSea公司研制的GAPS图2是法国iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基线水声定位系统，该系统主要由超短基线水声定位基阵、GPS定位系统以及Octans光纤罗经。
GAPS系统的精度较高，且无需对导航测姿系统以及GPS定位系统进行校准，但其造价昂贵，用于一般水下作业性价比较低。
图3 Scout+超短基线水声定位系统图3是英国Sonardyne公司研制的Scout+超短基线水声定位系统，其基阵内部带有5个声基阵基元，以及1个磁罗盘和1个MRU姿态传感器，若对水下目标定位的精度要求较高，则需要水声定位处理计算机外接高精度导航测姿系统和GPS系统，以替代超短基线声基阵内部的磁罗盘和MRU姿态传感器。
水下机器人中的水下定位和导航技术研究
水下机器人中的水下定位和导航技术研究水下机器人作为一种新兴的智能装备，近年来已经成为海洋科学研究、海洋资源探索和应急救援等领域中的重要工具。
而水下机器人的导航和定位技术对于其成功完成各项任务具有至关重要的意义。
本文将围绕这一话题，探讨水下机器人中的水下定位和导航技术研究的现状、发展趋势以及面临的挑战。
一、水下定位技术研究水下定位技术是指在水下环境中通过各种手段获取目标物体的位置信息，这种技术在水下机器人中具有重要作用。
常见的水下定位技术包括声学定位、磁力定位、惯性导航以及视觉定位等。
其中，声学定位技术是最常用也是最成熟的水下定位技术之一。
声学定位技术利用声波的传播和反射来完成目标物体的定位。
以声纳为例，当声源发出声波后，声波会在水下环境中传播，当遇到固体障碍物或水下物体时，部分声波会被反射回声源。
水下机器人通过测量声波从声源到目标物体以及反射回声源所需的时间，计算出目标物体与水下机器人的距离。
通过多个声源和接收器的组合，在三维空间内对目标物体进行定位。
声纳技术在定位精度和测量范围上均处于较好水平，且在水下环境中实现全天候、实时定位。
除了声学定位技术，磁力定位技术也在水下机器人中有着广泛的应用。
磁力定位技术利用地球磁场的特性，通过感应地球磁场和目标物体产生的磁场来完成定位。
相对于声学定位技术，磁力定位技术在深海等环境中具有更好的稳定性和不受环境干扰的优势。
二、水下导航技术研究水下导航技术是指通过各种方式确定水下机器人当前位置和方位信息，从而实现机器人的运动控制。
惯性导航技术是一种较为成熟的水下导航技术。
该技术通过惯性传感器测量机器人的加速度和角速度来获取运动信息，进而实现机器人在三维空间内的定位和导航。
但由于惯性传感器存在漂移现象，因此惯性导航技术需要结合其他定位技术进行校正，以提高定位精度。
除了惯性导航技术外，视觉导航技术也在水下机器人中有着广泛的应用。
视觉导航技术利用机器人上搭载的成像设备，通过图像处理和计算机视觉技术实现地标识别和定位。
水下机器人的定位和导航辅助系统
水下航行器导航与定位技术教材(新)
水下航行器导航与定位技术学习提纲主要参考书：1．导航与定位——现代战争的北斗星，干国强主编，国防工业出版社，20002．水下导航信息融合技术，朱海，莫军著，国防工业出版社，20023．卡尔曼滤波与组合导航原理，秦永元，西北工业大学出版社，1998主要内容：导航技术概论(参考书1)航位推算系统声学导航系统陆基无线电导航系统(参考书1)卫星导航系统(参考书1)惯性导航系统(参考书1)其它水下导航方法(重力梯度、地形匹配、磁导航等)水下组合导航技术(参考书1)要求：全文阅读讲义；阅读参考书指定章节；掌握各类主要导航方法的基本原理、适用范围、优缺点；掌握推算航位导航的计算方法。
目录水下航行器导航与定位技术 0第一章水下导航技术概论 (2)§1.1 导航的基本概念 (2)第二章航位推算 (2)§2.1概述 (2)§2.2航位推算的定义 (3)第三章声学导航系统 (9)第四章陆基无线电导航系统 (13)第五章卫星导航系统 (13)第六章惯性导航系统 (13)6．1航海陀螺仪器的发展 (13)6．2 以捷联惯导为核心的组合导航技术 (16)第七章其它水下导航技术 (17)§7.1 地形辅助导航 (17)§7.2 地球物理导航 (19)§7.3 各种水下助航方法(舰船导航，2001，6) (20)7.3.1 磁导航 (20)7.3.2重力导航 (21)§7.4 地形辅助导航技术 (23)第八章水下组合导航技术 (23)第一章水下导航技术概论导航的基本作用是引导飞机、舰船、车辆、个人等，安全准确地沿着所选定的路线，准时地到达目的地。
§1.1 导航的基本概念“导航”就是正确地引导航行器沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地的过程。
为了完成这个任务，就需要随时知道航行器的瞬时地理位置、航行速度、航行器的姿态、航向等参数。
这些参数，通常称作导航参数。
水下机器人定位与导航技术研究
水下机器人定位与导航技术研究水下机器人是一种在水下环境中执行任务的机器人。
与其他机器人不同的是，水下机器人所处的环境极其恶劣，导致它们必须具备超强的防水及抗压能力。
在水下机器人领域里，定位和导航技术是非常基础的技术，这些技术的研究和创新将直接影响着水下机器人的工作效率和能力。
因此，本文旨在探讨水下机器人定位和导航技术的现状和发展。
一、水下机器人定位技术的现状水下机器人的定位主要分为两类：激光测距式定位和水声定位两种。
激光测距式定位可以通过将机器人携带的激光测距仪向水下目标发射一束激光束，再通过控制机器人旋转角度和测量激光返回的时间差，确定目标的位置。
这种定位技术的优点是定位精度高，但是由于光在水中传播的特性，会在传输过程中发生折射，影响定位精度。
水声定位技术则是利用声波在水中的传播速度来计算目标位置。
船只一般用声纳定位来监控水下情况，结合GPS等其他手段确定位置。
对于水下机器人来说，单纯的声信号定位准确性较低，需要通过不同的架构来提高位置精度，并且和激光测距结合使用，作为一种备选的手段。
二、水下机器人导航技术的现状水下机器人的导航一般采用相对位置导航和绝对位置导航两种方式。
相对位置导航是通过对机器人相对位置的测量来实现导航的，通过多个传感器组合来实现机器人的运动控制和运动状态的估计。
相对位置导航技术比较成熟，而且精度也比较高，可以满足大部分的水下机器人导航需求。
绝对位置导航则是采用GPS、以及水声定位技术等手段来实现，难度较大，精度要求较高。
三、水下机器人定位和导航技术的挑战和趋势水下定位和导航技术的研究挑战较大，主要源于水下环境的复杂性质。
在水下环境中，水质浑浊，有大量的悬浮物等，对于传感器的信号等有很大的影响。
同时水下环境中光和声的速度也会发生改变，造成水下机器人定位误差和导航难度。
因此水下机器人定位和导航技术的研究需要结合实际情况，研发出更加适合水下环境的传感器和算法方案。
在技术趋势方面，水下机器人的定位和导航技术已经向着更加智能化的方向发展，主要表现在研究更加先进的观测模型，如基于机器学习的目标估计算法、基于传感网络的分布式定位与导航算法等。
潜艇导航
1. 简介潜艇导航是指引船只（或潜艇）转移的最安全有效的方式。
在任何时候导航的第1个任务是知道船只（或潜艇）的位置。
根据导航区域的不同，可将导航分为沿岸导航，海上（公海）导航和极区导航。
按照导航系统，又有地面导航，天文导航，电子导航和航位推测导航之分。
就潜艇的导航来说有水面导航和水下导航的方式。
本文将说明一些可以用于潜艇水下航行（大于等于潜望深度）时的导航系统。
2. 潜艇罗盘和位置线2.1潜艇罗盘船只（潜艇）航向是当前导航方向与经线之间的夹角。
航向由罗盘控制。
从潜艇潜入水下的最初的几天开始，用到两种罗盘。
最先用到的潜艇罗盘是磁针罗盘。
在英国A型皇家海军潜艇上，磁针罗盘在潜艇外壳外面，指令桥上。
罗盘封闭在防渗台里面。
人在潜艇内部可以通过望远镜保持航向的正确。
罗盘和望远镜随时间的推进而得以改进，但始终存在一个问题。
传统的磁罗盘由于潜艇的磁屏蔽作用而不能用于潜艇的导航，因此，磁罗盘偏航非常大。
德国人Hermann Anschutz-Kaempfe于1907（1908）设计了装有陀螺顶的回转仪罗盘。
1912年他设计了带有3个陀螺顶的回转仪罗盘。
这种新的回转仪罗盘在风大浪急的海面更为有效。
1925年开始对改进的（双陀螺顶的）回转仪罗盘投入生产。
Elmer Sperry(美国人)于1911年为他的单陀螺顶的回转仪罗盘申请了专利。
Sidney Brown(英国人)于1916年也为他的回转仪罗盘申请了专利。
受地球自转和万有引力的影响，陀螺回转仪的陀螺仪可尽量保持其轴与地球的轴平行。
这样，陀螺回转仪显示了真子午线方向（如正北方向等）。
它对潜艇自身或来自地磁的磁影响不敏感。
对陀螺回转仪影响最大的是地理纬度的改变。
随着陀螺仪与地轴间的纬度夹角变大越来越显著，罗盘方向引力变弱。
陀螺仪罗盘在南北纬70度以内有效。
在南北纬70到85度之间罗盘利用特殊桌台可有效纠正纬度偏差。
在南北纬85度以上普通结构的陀螺仪无效。
陀螺仪的误差包括地理纬度误差，航行误差，潜艇加速误差，潜艇的摇摆和振动误差，以及罗盘的安装误差。
水下机器人的智能导航与控制设计
水下机器人的智能导航与控制设计随着科技的快速发展和人类对深海资源的探索需求的增加，水下机器人作为一种重要的工具，被广泛应用于深海勘探、海洋环境监测和海底资源开发等领域。
水下机器人的智能导航与控制设计是确保机器人能够准确执行任务、安全完成工作的关键因素之一。
本文将从水下机器人导航和控制的设计原理、智能化技术以及未来发展等方面进行论述。
水下机器人的导航设计是指机器人在水下环境中的自主位置定位和路径规划能力。
由于水下环境相较于陆地和空中环境更为复杂，如水流、洋流、海底地形等因素对导航产生了较大的干扰和挑战。
为了解决这些问题，水下机器人的导航系统通常采用多种传感器融合的方法。
其中包括声呐、水下相机、压力传感器等，以获取环境的相关信息，并结合惯性导航系统进行定位。
此外，水下机器人还可以利用声纳等技术进行跟踪和测距，以实时感知周围的物体和障碍物，从而调整路径规划和躲避障碍物。
为了更好地实现水下机器人的智能导航，需要结合现代智能化技术，如机器学习、人工智能等。
通过对大量的数据进行训练和学习，水下机器人可以识别和预测海洋中的特定物体和环境，提高自主导航的准确性和适应性。
同时，利用智能算法和规划方法，水下机器人能够实现自主制定路径规划，并根据环境变化进行实时调整，确保任务的高效完成。
除了智能化导航设计，水下机器人的控制系统也是实现高效任务执行的重要组成部分。
控制系统一般分为两个层次：底层控制和高层控制。
底层控制主要包括水下机器人的运动控制和姿态控制，确保机器人能够在水下环境中稳定运动和保持良好的姿态。
高层控制则包括任务规划、路径规划、避障等功能，通过对传感器数据和任务要求的综合分析，制定出合理的控制策略，指导机器人完成特定的任务。
为了提高水下机器人的智能控制水平，当前的研究中越来越多地应用了神经网络、模糊控制、强化学习等方法。
这些方法通过对多种控制算法的组合和优化，使机器人能够更好地适应复杂环境和任务需求。
此外，水下机器人的智能导航与控制设计还需要考虑能量管理和通信等方面的问题。
水下定位与导航简述
3 声呐方程基础
什么是声呐？ Sonar：Sound(声) +Navigation(导航) +Ranging(定位) 利用水下声波判断海洋中物体的存在， 位置及类型的方法和设备。 是利用水中声波对水下目标进行探测、 定位和通信的电子设备，是水声学中应用 最广泛、最重要的一种装置.
仿生学来源：海豚追踪猎物
美国钻探船“格洛玛·挑战者”号用的重返和动态
1~50 <1
简称 LBL SBL USBL或SSBL
海底应答器的位置分别为： 注意：与ＧＰＳ定位不同，仅需３个海底应答器即可！
三种系统的优缺点：
（1）超短基线定位系统 优点：整个系统构成简单、操作方便不需要组建水下基线阵、 测距精度高。 缺点：需要做大量的校准工作，其定位精度随着水深和工作 距离的增加而降低。定位精度比其他两种系统差。
具体做法：
➢ 在海底放一个水声应答器作为基 准点，同时在船上布放三个水听 器进行应答测距。在下钻作业时 船上向基准点应答器发出脉冲， 应答器收到信号之后发出回答脉 冲，这回答脉冲被船上的三个测 距水听器收到，这时可以测出三 个水听器与基准应答器的距离。 当外界条件使船位移时，水声应 答器测距系统随即测出这三个距 离的变化。将这些数据送入计算 机，计算出船位的水平移动量， 再开动几个可变螺距的推进器， 使船复位，也就是使三个距离和 原来的一样。这样，船在不断运 动中保持位置不变。
1、声纳方程
主动声纳方程： (SL 2TL TS) (NL DI) DT
被动声纳方程：
SL TL (NL DI) DT
SL反映发射器辐射声功率大小 TL：传播损失，定量描述声波传播一定距离后强度的衰减变化 TS：目标强度，定量描述目标反射本领的大小 NL：海洋环境噪声（背景干扰） DI：指向性指数。越大表示声能在声轴方向集中的程度越高； DT：检测阈值。设备刚好正常工作的所需的处理器输入端的信噪比 值
大尺度水下机器人自主定位和导航方法研究
大尺度水下机器人自主定位和导航方法研究随着科技的不断进步，水下机器人作为一种重要的工具，被广泛应用于海洋勘探、深海开发、海洋救援等领域。
在水下环境中，机器人需要自主完成定位和导航的任务，以便准确地执行各种任务。
然而，水下环境的特殊性质对机器人的定位和导航提出了一系列挑战，包括信号传输的受阻、较低的光能传播、海流和水下结构的干扰等。
因此，研究大尺度水下机器人的自主定位和导航方法显得十分重要。
在大尺度水下机器人自主定位方面，一种常见的方法是利用传感器获取周围环境的信息，然后通过算法对机器人进行定位。
传感器的选择很大程度上取决于具体的应用场景，常见的传感器包括声纳传感器、激光雷达、相机等。
声纳传感器是最常用的水下传感器之一，可以通过声波的反射来获取水下环境的信息。
激光雷达则可以通过发射激光束来获取周围物体的位置和形状信息。
相机可以用来获取水下环境的图像信息，通过图像处理算法可以实现机器人的定位。
除了传感器的选择，水下机器人的自主定位还需要考虑定位算法的设计。
主要的定位算法包括滤波算法、优化算法和卡尔曼滤波算法等。
滤波算法根据传感器输出的信息对机器人位置进行估计，常见的滤波算法有扩展卡尔曼滤波、粒子滤波等。
优化算法是利用机器学习、人工智能等技术对机器人进行建模，通过对模型的优化，来实现机器人的定位。
卡尔曼滤波算法是一种常用的利用线性系统辨识理论来估计机器人位置的算法，通过状态空间模型和观测模型对机器人位置进行估计。
水下机器人的自主导航是基于机器人的定位结果，以及任务的需求，通过路径规划和控制算法来实现的。
路径规划算法是为机器人选择最佳路径，并避免障碍物的算法。
在水下环境中，路径规划算法需要考虑水流、水下结构等因素对机器人路径的影响。
常见的路径规划算法包括A*算法、D*算法、遗传算法等。
控制算法是为机器人提供导航命令以实现运动控制。
常见的控制算法有比例积分控制器、增量式控制器等。
水下机器人的自主导航还需要考虑动态环境变化等因素，以保证机器人能够在复杂的水下环境中安全导航。
导航工程中的水下测量与海底地形分析
导航工程中的水下测量与海底地形分析导航工程是指利用各种技术手段，确定船舶、飞机、车辆等物体的位置、姿态以及移动轨迹，以便实现精确导航和定位的工程。
水下测量与海底地形分析是导航工程中的重要内容，通过对水下环境进行测量和分析，可以提供海底地形数据，为导航系统提供准确的信息。
本文将探讨水下测量技术和海底地形分析的应用。
一、水下测量技术1.声纳测深技术声纳测深技术是一种利用声波在水中传播的时间差和频率变化来测量水深的方法。
它通过发射声波脉冲至水下，然后接收回波并计算声波从发射到接收所经历的时间差来确定水深。
声纳测深技术具有测量范围广、测量速度快、精度较高等优点，被广泛应用于水下测量。
2.多波束测量技术多波束测量技术是指利用多个声纳传感器同时发射声波，从而形成多个接收声纳接收回波的情况。
通过接收多个回波，可以得到更多的信息，提高测量精度。
多波束测量技术能够快速获取水下地形数据，并在不同方向上提高测量覆盖范围，提供准确的水下地形信息。
3.激光扫描技术激光扫描技术采用激光束来扫描水下物体，通过测量激光束的反射时间和强度来获取水下地形数据。
激光扫描技术具有高精度、高分辨率的特点，可以获取具有细节的水下地形数据。
激光扫描技术适用于复杂水下环境的测量，能够提供准确的水下地形信息。
二、海底地形分析1.地形数据处理海底地形数据的处理是将测量得到的原始数据进行加工处理，获取可视化的地形图或地形模型。
处理方法包括数据滤波、插值、拟合等。
数据滤波能够去除噪声和异常值，保留有效的地形信息。
插值方法可以根据有限的数据点生成连续的地形曲面。
拟合方法可以通过拟合曲线或曲面来描述地形形态。
地形数据处理能够将原始数据转化为可视化的地形，为后续分析提供准确的数据基础。
2.地形特征分析海底地形特征分析是对地形数据进行分析，提取地形的特征信息。
常见的地形特征包括海山、河流、裂缝、盆地等。
通过对地形特征的分析，可以了解海底地壳的构造和演化过程，为海洋地质和海洋生态等领域的研究提供依据。
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•卫星时钟为同步原子钟(价格在5万美圆至10万美圆)
•接受器时钟为普通石英钟(设比原子钟快慢 •设 GPS接受器的位置为(X,Y,Z)
T
)
( X ( X ( X
X1)2 X 2 )2 X 3 )2
(Y (Y (Y
Y1)2 (Z Z1)2 (R1 cT )2 Y2 )2 (Z Z2 )2 (R2 cT )2 Y3 )2 (Z Z3 )2 (R3 cT )2
•转动角速度测量
τ p ω p L（进动力矩）
p p J （因输入轴与转轴垂直） p p / J
在输出轴安装弹簧测量进动力矩！ （弹簧吸收进动力矩）
2) 光纤陀螺
•没有运动部件，因而精度极高 •利用光的干涉来测量机械运动 •传感器为５ｋｍ左右的光纤线圈 •两个光束沿相反方向在光纤中传播
• 空间部分: 24颗中轨卫星 • 控制部分: 分布于全球的地面跟踪站 • 用户部分: 接收和计算部分
空间部分
•从地球上任意一点可以看到5 到8颗卫星
•12小时绕地球一圈 •不断向地面发送无线电信号
控制部分
•测量来自于卫星的信息 •并将其融合到各个卫星的轨道模型 •模型计算轨道数据以及时间修正量 •主站将轨道数据以及时间修正量上传到卫星
•水下运载器上的发射器发出全向声脉冲，海底应答器收到后 立即发射应答声脉冲，水下运载器上的接收器收到应答声脉 冲后根据时间延迟确定斜距
•海底应答器以不同频率应答以辨别海底应答器的身份
海底应答器的位置分别为：(xi , yi , zi )(i 1, 2,3)
((xxxx21))22
(y (y
3.1 运动传感器
加速度计: 测量直线运动线加速度 陀螺仪: 测量旋转运动角速度 DVL：测量运载器相对于海底线速度
3.1.1 加速度计 • 基于牛顿第二定律
a f /m f kx
a k x (测量出质量的位移即可) m
3.1.2 陀螺仪
1) 机械式陀螺 •转子高速旋转,且旋转角速度恒定(自动锁定)
<<水下作业系统>>之七
水下作业系统 导航与定位
冯正平 zfeng@
主要内容
1. 导航简介 2. 辅助导航
– 卫星导航（以ＧＰＳ为例） – 水声定位（以长基线为例）
3. 惯性导航
• 运动传感器 • 惯性平台导航 • 捷联式惯性导航
4. 组合导航系统 5. 声纳基础
1.导航简介
用户部分
•接收来自于卫星的信号 •计算出自身的位置以及时间
2.1.1 GPS位置计算
• 第1颗卫星发送信息
– 我的时间与位置分别是 T1以及 ( X1,Y1, Z1)
• 第2颗卫星发送信息
– 我的时间与位置分别是T2以及 ( X2,Y2, Z2 )
• 第3颗卫星发送信息
– 我的时间与位置分别是 T3以及 ( X3,Y3, Z3)
y1 y2
)2 )2
( (
z z
z1 ) 2 z2 )2
(cT1 / 2)2 (cT2 / 2)2
(x x3 )2 ( y y3 )2 (z z3 )2 (cT3 / 2)2
(x, y, z)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
注意：与ＧＰＳ定位不同，仅需３个海底应答器即可！
3 惯性导航
单自由度陀螺
•进动现象
根据角动量矩定理 τ dL dt
又由于角转动惯量恒定
L Jω (J 为转动惯量)
L J const
L• L const dL • L 0 (正交!) dt
输入轴、输出轴以及转轴构成右手系
τ•L 0
外力矩有效作用方向始终与陀螺自旋轴垂直,且只改变角动量矩方向 因而陀螺自旋轴偏转(进动)
•Sagnac效应
3.1.3 多普勒测速仪
3.1.3.1 机械波的Doppler 效应
•声波是一种机械波 •振动源与观测者之间的相对运动使接收到的振动频率发生变化 •利用频率变化来测量运动速度
( X X 4 )2 (Y Y4 )2 (Z Z4 )2 (R4 cT )2
4颗GPS卫星可以精确确定接受器的位置以及接受器的时间!
2.1.2 差分GPS
2.2 水声长基线定位
•在海底布置至少由３个单元（应答器）构成的基阵，基阵单 元之间间距可以长达１０公里
•应答器相对于海底的绝对位置已知
• 惯性导航: 依靠自身携带的运动传感器（加速度计和陀螺 仪）不断测量运载器运动的平动加速度和旋转角速度，并 由初始位置推算出瞬时位置
• 组合导航：组合辅助导航和惯性导航
2. 辅助导航
2.1 GPS（Global Positioning System）
– 由美国国防部开发 – 1983年开始对民用开放 – 系统包括3个部分
• 第4颗卫星发送信息
– 我的时间与位置分别是T4以及 ( X4,Y4, Z4 )
•各信息至GPS接收器的时间差分别为 T1 , T2 T3 以及 T4
R1 cT1, R2 cT2 , R3 cT3, R4 cT4 它们不一定就是接收器至卫星的实际距离！
•时间差至关重要
• 姿态／艏向：载体坐标系相对于地球坐标系的Euler 角 • 姿态：横倾角／纵倾角 • 艏向：纵轴在水平面内投影与真北方向的夹角
1.2 导航模式
• 辅助导航: 依靠观测外部目标或接收外部信息来确定自身 位置 – 卫星导航: 对一定轨道上的人造卫星进行观测,测出相对 于卫星的位置,再根据已知卫星相对于地面的位置计算 出自身的位置 ，如GPS、伽利略和北斗 – 水声LBL导航: 测量相对于声学基阵单元的位置,再根据 已知的声学基阵单元相对于海底的位置计算出自身的 位置
1.1 基本概念
• 导航：确定运载器相对于地球坐标系的位置、姿态与艏向
• 地球坐标系： 原点：地球表面上任意一点（赤道与零经度 线交点） 坐标轴：Ｘ北向／Ｙ东向／Ｚ下向
• 载体坐标系： 原点：载体上任意一点（常为几何中心） 坐标轴：Ｘ纵向／Ｙ横向／Ｚ垂向
• 位置：载体坐标系原点在地球坐标系中的坐标 • 纬度或离赤道距离（球面距离） • 经度或：离零经度线距离（球面距离） • 高度（深度）：离海平面距离（直线距离）