基于多源信息融合的多AUV协同导航方法研究

摘要

多AUV协同导航技术是伴随着多AUV协作思想的广泛应用而发展期来的一种新型水下导航技术。它不仅可以提高单个AUV的定位精度，而且具有成本低、可靠性好以及不受区域限制等优点，现已成为水下导航领域的研究热点。但由于水下环境比较复杂加之水声通信技术的特性，多AUV协同导航相较于陆上（或空中）机器人的协同导航具有其独特的技术难点。本文从提高多AUV协同导航性能的实际需求出发，结合多源信息融合理论，重点针对基于AUV间相对距离量测的多AUV协同导航算法进行研究。本文主要的研究工作有以下几方面：
　　1、针对自主水下航行器，详细介绍其在水下航行时几种常用的导航方法，主要有惯性导航、船位推算导航以及水声定位技术等。首先大致介绍在导航过程中常用到的坐标系；然后着重介绍以上三种导航方法的工作原理，并针对它们各自的优缺点，对这三种导航方法做分析和比较。
　　2、详细研究多AUV协同导航技术。首先着重介绍目前水下机器人的通信及测距方式；然后介绍多 AUV协同导航技术的工作原理，并对多AUV协同导航系统进行建模分析，基于建立的系统模型，分析该系统的可观测性，再根据分析结果设计合理的多AUV协同导航系统的通信方案；最后在MATLAB平台上仿真验证了多AUV协同导航相比于单个AUV自主导航的优势。
　　3、深入研究多源信息融合的相关理论。首先研究目前应用较广的三种估计融合方法：集中式融合、分布式融合以及分布式融合的扩散策略；然后对多传感器系统的故障检测与隔离方法做深入研究；最后基于该研究结果，研究多源信息融合理论中的检测融合，并以分布式检测融合为例，分别介绍了并行结构的分布式检测融合算法、串行结构的分布式检测融合算法、树形结构的分布式检测融合算法。
　　4、对设计的算法进行仿真验证。基于前述的研究与分析，首先分别设计了用于单领航艇协同导航系统和双领航艇协同导航系统的导航算法，并在MATLAB平台上进行仿真，证明了算法的有效性。然后针对并行式协同导航系统，分别设计出了基于矩参数表达的协同导航算法和基于信息参数表达的协同导航算法，在MATLAB平台上进行仿真，发现了这两种方法的不足，作为改进，提出了分散式状态估计协同导航算法，并通过仿真分析，验证了该方法可以弥补前两种方法的不足。最后对并行式协同导航系统做了故障检测与隔离方法的仿真，验证了故障检测与隔离的必要性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

第2章 基于水下航行器的导航方法

2.1 惯性导航技术

2.2 船位推算导航技术

2.3 水声定位技术

2.4 本章小结

第3章 多AUV协同导航技术

3.1 多AUV协同导航系统工作原理及建模

3.2 协同导航系统可观测性分析

3.3 多AUV协同导航通信方案

3.4 多AUV协同导航算法

3.5 本章小结

第4章 多源信息融合

4.1 估计融合

4.2 故障检测与隔离

4.3 检测融合

4.4 本章小结

第5章 AUV协同导航算法设计与仿真

5.1 单领航艇协同导航算法设计与仿真

5.2 双领航艇协同导航算法设计与仿真

5.3 并行式协同导航算法设计与仿真

5.4 协同导航系统的故障检测与隔离

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢