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常见四种水下机器人导航技术

作者:admin  更新时间:2017-09-22
目前水下机器人常用的导航技术有四种,分别是GPS导航、惯性导航、航位推算导航、重力场导航,每一种导航技术都有优劣之分,本文重点介绍这四种导航技术。
常见四种水下机器人导航技术
  一、GPS导航
  GPS是Global Positioning System 的缩写,即全球定位系统。它是水下机器人发展最为迅速的导航方法之一。GPS导航有不可比拟的优势,也有自身的缺陷。它可以使用一些小型的,便宜的,能耗低的设备在几毫秒的时间得到时刻与位置。能够为全球任意位置的用户提供全天候、连续的三维定位数据与时间基准,其精度远远高于同为非自主导航方式的罗兰、欧米加导航 。虽然GPS导航在水下机器人的水面导航中占有重要地位,但由于GPS是基于无线电的导航方式,电波在水中很快衰减,这使得它在水下机器人中的应用受到很大限制 。
  GPS虽有以上不足,但我们可以将它与其它导航方式结合来取长补短。如将水下机器人采用的船位推算和GPS定位相结合的导航系统。当机器人处于水下航行状态时,利用船位推算进行导航定位,由于船位推算系统随时间的增长定位累计误差不断增大,当误差超出许可范围就需要上浮,利用GPS的高精度位置信息对船位推算系统在线校正。基于GPS浮标网络的长基线水下定位系统通过GPS接收机获得基阵元,然后通过无线数据链路将有关数据传送到检测基站,进而在检测基站通过相应的定位算法计算出水下目标的实时位置信息等,这些方式都可以利用GPS定位精度高且体积小的特点而避免它不能在水下传输信号的弱点进行高精度导航。
  二、惯性导航
  根据陀螺稳定平台相对何种参考系稳定和加速度计安装方式的不同,可分为解析式、半解析式和几何式惯导系统;根据选用的陀螺仪类型的不同,分为液浮陀螺、挠性陀螺、静电陀螺和激光陀螺惯导系统;根据惯性装置在载体上的安装方式可分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统。
  水下机器人惯性导航发展的趋势是发展三维全监控惯性平台系统和静电陀螺监控系统;利用最新的联合技术、惯性敏感器件和电子信息技术,发展中、低精度惯性系统.扩大导航级惯性系统的应用范围;努力提高惯性敏感器的精度,借助于光电子、微电子技术和微细加工技术。发展新型惯性器件,使惯性敏感器向着集成化方向发展;发展系统优化设计技术、陀螺及平台监控技术、陀螺误差建模及系统误差补偿技术、精密加工工艺以及动态测试技术。
  综上,从惯性导航系统的发展和应用情况来看,目前纯惯性导航系统虽能满足中近程导航精度的要求,但还无法满足远程、长时间航行的导航要求。为了提高系统精度,主要有两种方法:一是提高器件的精度;二是在现有器件的基础上,利用导航误差不随时间积累的外部参考信息源,定期对惯性导航系统进行综合校正和对惯性器件的漂移进行补偿 。
  三、航位推算导航
  航位推算(Dead Reckoning)的定义是从一个已知的坐标位置开始,根据航行体在该点的航向和航行时间,推算下一时刻的坐标位置的导航过程。航位推算导航系统是利用多普勒计程仪或相关速度计加上光纤罗经组成的导航系统 。由于它可实时定位及给出载体平台当前和将来的位置使其在水下机器人导航中占有至关重要的地位。
  航位推算存在的最严重的问题是随着航行时间的增大,其导航误差也不断增大,而且增长速率是海流、水下机器人的速度、测量传感器精度的函数 。若水下机器人周期性地浮出水面,并采用GPS对其位置修正,其导航精度将会得到很大的提高。
  四、重力场导航
  通过对地球重力场的研究表明,地球重力场不是均匀分布的,而是存在一个变化的拓扑,可以利用这个特点进行水下机器人导航 。进行重力场导航时,事先应做好重力分布图,图中的各线都有特定的重力分布。重力分布图存贮在导航系统中,再利用重力敏感仪器测量重力场特性来搜索期望的路线 。通过人工神经网络和统计特性曲线识别法使水下机器人确认、跟踪或横过路线,到达某个目的点。这种方法由于不进行辐射,不使用外部坐标,所以称为无源重力导航。无源重力导航具有精度高、不受时间限制、无需浮出水面的特点,可最终解决导航隐蔽性问题。