一种周期更新估计洋流速度的水下滑翔机航向修正方法

摘要

本发明提出一种周期更新估计洋流速度的水下滑翔机航向修正方法，包括洋流估计阶段和航向修正阶段。在洋流估计阶段，设定固定滑翔俯仰角进行多周期滑翔运动，获得单周期航向角，航行距离，航行时间，出水航向角，根据以上数据可以列出两个关于三个未知量(水下滑翔机水平面速度，洋流水平速度和洋流纵向速度)的方程，当获得两个或两个以上周期的数据时可以求解并迭代更新计算结果。本方法计算复杂度小，输入量需求少，迭代更新结果更精确。

说明书

技术领域

本发明属于水下滑翔机技术领域，特别涉及一种周期更新估计洋流速度的水下滑翔机航向修正方法。

背景技术

水下滑翔机是一类由浮力驱动，不使用推进器或螺旋桨提供动力的自主式水下航行器(AUV)，它通过使用内部油箱和泵来吸排海水以控制浮力完成滑翔运动。现有的滑翔机具有固定的外翼和尾翼，通过移动内部质量块和使用舵等外部控制面来控制姿态。滑翔机通过串联一系列向上和向下的滑翔轨迹完成点到点的航路任务。典型的滑翔运动包括上下锯齿形直线滑翔、转弯和垂直螺旋滑翔。滑翔机有许多有价值的应用，特别是在海洋传感和数据收集方面，由于其具有低成本、自主性和长距离、长时间部署的能力，因此具有极大的关注度。

在导航控制方面，水下滑翔机的水平运动速度慢，滑翔周期长，洋流干扰对其航向的影响非常显著。目前针对获取洋流速度的方法主要包括：1.利用传感器(如：多普勒测速仪)直接测量洋流速度信息。该方法虽然可以迅速获得洋流速度信息，但缺点在于额外装配的传感器不仅增加了成本和能量消耗，部分需壳体外装配的传感器会影响水下航行器的流体特性，而且还会给系统引入无法避免的测量噪声。2.利用状态观测器解算洋流速度。该方法虽然不需要额外传感器的数据信息，但是要求被控对象系统满足可观性，而且对系统的计算能力有较高要求。在航向修正方面，对于水下滑翔机的水平面速度小于洋流速度的情况，航向修正方法需考虑反馈合理可实现的目标航向范围，目前很多航向修正方法并没有考虑这一情况。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种低计算量、低成本、周期更新估计洋流速度实现水下滑翔机航向修正的方法，并反馈合理可实现的目标航向的参考范围。另外，本发明中定义的所有角度均以北偏东为正。

本发明的技术方案是：一种周期更新估计洋流速度的水下滑翔机航向修正方法，包括以下步骤：

步骤1：设定初始条件：设定水下滑翔机以相同俯仰角滑翔n个周期其中n≥2，记录每个周期出水时相对于入水时的理想航向角和实际航向角分别为

步骤2：根据矢量运算法建立表达式；

步骤3：计算洋流方向

步骤4：根据步骤3得到的洋流方向，计算洋流速度v

本发明进一步的技术方案是：所述步骤2中，包括以下子步骤：

步骤2.1：根据矢量运算法则列出方程组：

其中，v

步骤2.2：将上式进一步写为

Y

其中，

步骤2.3：使用递归最小二乘法迭代求解步骤2.2式，解得：

其中，

本发明进一步的技术方案是：所述步骤3中，洋流方向

本发明进一步的技术方案是：所述步骤4中，包括以下子步骤：

步骤4.1：计算洋流速度v

若v

步骤4.2：：设置目标航向为

其中，

将

发明效果

本发明的技术效果在于：本方法的有益效果具体为：

1、计算复杂度小。传统方法中涉及大量数据的采集，存储和处理，算法中包含复杂的矩阵运算，计算时间长，本发明仅仅包含简单的代数运算，算法运行效率高，时间短，满足工程实际应用的实时性要求；

2、输入量需求少。相比传统方法需要水下滑翔机的速度信息和角速度信息，本发明的输入量只需要水下滑翔机出水点与入水点的距离，航向角和滑翔时间，可以有效减少成本并且避免引入过多传感器测量噪声。

3、迭代更新结果更精确。传统方法将一次计算得到的洋流速度信息用于水下滑翔机的航向修正，可能会存在测量误差或者计算误差，本发明充分利用水下滑翔机的周期运动特性，迭代计算并更新结果，有效减少误差。迭代更新与单周期不更新计算结果比较见表1。

附图说明

图1航向修正方法流程图

图2洋流速度估计方法示意图

图3航向修正方法示意图

图4航向修正仿真结果图

表1迭代更新与单周期不更新计算结果比较

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明通过以下技术方案来实现：一种周期更新估计洋流速度的水下滑翔机航向修正方法，包括洋流估计阶段和航向修正阶段。在洋流估计阶段，设定固定滑翔俯仰角进行多周期滑翔运动，获得单周期航向角，航行距离，航行时间，出水航向角，根据以上数据可以列出两个关于三个未知量(水下滑翔机水平面速度，洋流水平速度和洋流纵向速度)的方程，当获得两个或两个以上周期的数据时可以求解并迭代更新计算结果，具体步骤如下：

步骤1：设定水下滑翔机以相同俯仰角滑翔n(n≥2)个周期，记录每个周期出水时相对于入水时的理想航向角和实际航向角分别为

步骤2：根据矢量运算法则列出方程组：

其中，v

步骤3：将(1)式写为

Y

其中，

使用递归最小二乘法迭代求解(2)式，解得：

其中，

步骤4：计算洋流方向

在航向修正阶段，根据洋流估计阶段得到结果，利用矢量三角形法则可以计算出合理可实现的目标航向的参考范围，并得到该范围内对应目标航向的水下滑翔机航向，具体步骤如下：

步骤1：计算洋流速度v

若v

步骤2：设置目标航向为

其中，

将

本发明采用矢量运算法则和递归最小二乘法相结合的方法，在简化计算复杂度和减少传感器需求方面优于其他水下滑翔机航向修正方法，尤其适合低速，多周期的水下滑翔机任务。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合流程图(附图1)，示意图(附图2和图3)和仿真结果图(附图4)，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不限定用于本发明。

在洋流估计阶段，设定固定滑翔俯仰角进行多周期滑翔运动，获得单周期航向角，航行距离，航行时间，出水航向角，根据以上数据可以列出两个关于三个未知量(水下滑翔机水平面速度，洋流水平速度和洋流纵向速度)的方程，当获得两个或两个以上周期的数据时可以求解并迭代更新计算结果，具体步骤如下：

步骤1：设定水下滑翔机以相同俯仰角滑翔n(n≥2)个周期，记录每个周期出水时相对于入水时的理想航向角和实际航向角分别为

步骤2：根据矢量运算法则列出方程组：

其中，v

步骤3：将(7)式写为

Y

其中，

使用递归最小二乘法迭代求解(8)式，解得：

其中，

步骤4：计算洋流方向

在航向修正阶段，根据洋流估计阶段得到结果，利用矢量三角形法则可以计算出合理可实现的目标航向的参考范围，并得到该范围内对应目标航向的水下滑翔机航向，具体步骤如下：

步骤1：计算洋流速度v

若v

步骤2：设置目标航向为

其中，

将

为了更清晰地展示本方案的有效性，完成了基于周期更新估计洋流速度的水下滑翔机航向修正仿真，结果如图4所示。仿真中，设置目标点坐标为(20000,0)，洋流速度与深度之间的关系为：

v

其中，h表示深度。洋流方向为Y轴正方向偏X轴正方向45°。

仿真结果图可以说明，本方案可以抵抗洋流干扰，实现水下滑翔机航向修正。

表1迭代更新与单周期不更新计算结果比较