基于单领航者距离测量的多AUV协同导航方法研究

本项目研究基于单领航者距离测量的多AUV协同导航问题。仅依靠与单个领航者之间的距离信息，在确定跟随者空间位置的问题上，其求解条件是不充分的，需结合AUV的运动矢径进行，而运动矢径受洋流、AUV欠驱动特性等因素影响具有漂移不确定性，因此AUV的运动矢径对本方案具有关键性的制约作用。本项目拟主要采用非线性不确定系统最优估计理论，针对运动矢径不确定条件下的单领航者测距协同导航算法问题进行研究，包括：(1)运动矢径已知情况下协同导航的模型与基本算法；(2)运动矢径受洋流干扰、AUV欠驱动特性影响下，基于运动矢径估计的协同导航算法；(3)不同运动矢径对协同导航的影响规律研究。通过理论分析、数字仿真及基于船模系统的验证，解决协同导航过程中，受AUV运动矢径不确定性影响而导航精度不高的问题，建立一种配置简单、稳定易行的多AUV协同导航方案，适应海洋活动中AUV大量应用的需求。

导航问题是发展自主水下航行器所面临的重要挑战，本项目针对单领航者距离测量的多AUV协同导航系统，重点对协同导航滤波算法设计、协同导航系统可观测性、稳定性分析、洋流干扰和欠驱动情况下运动矢径估计、通信受限下的协同导航算法以及多移动机器人协同导航实验等问题进行了深入研究。首先针对仅距离测量导致位置求解条件不充分的问题，通过引入运动矢径建立了协同导航系统模型，提出了基于扩展Kalman滤波的协同导航算法；然后利用非线性可观测理论，研究了协同导航系统的可观测性，并对协同导航系统的稳定性进行了理论分析；进而针对运动矢径受洋流干扰的问题，研究了定常未知洋流对协同导航可观测性的影响，基于AUV的运动学模型和洋流作用下的运动矢径，结合测距信息给出了加权扩展Kalman滤波协同导航算法，并在系统缺少初始化定位信息的情况下，给出了从AUV的初始定位和未知洋流估计算法，分析了洋流影响下协同导航系统的稳定性；在此基础上，通过分析AUV的欠驱动特性，给出了协同导航系统在欠驱动特性影响下的局部可观测性判别条件，指出了AUV在欠驱动特性影响下漂移速度的存在增强了导航系统的局部可观测性；同时还分析了不同运动矢径对协同导航性能的影响；此外，针对水声信道传输数据的不确定性，在Gilbert-Elliott信道模型的基础上，提出了量测数据服从Markov随机丢失下的改进扩展Kalman滤波协同导航算法，分析了协同导航系统的峰值方差稳定性；最后，利用Pioneer3 DX型移动机器人构建了多移动机器人协同导航平台，对单领航者距离测量的协同导航算法进行了模拟实验验证。