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水下机器人使用惯性导航技术优劣

作者:admin  更新时间:2017-09-22
惯性导航技术的成熟,给水下机器人带来较大的进步,然而也会出现一些其它问题,通常会组合其它定位技术辅助矫正,本文重点介绍惯性导航技术在水下机器人的优劣。
水下机器人使用惯性导航技术优劣
  惯性导航的基本原理是测量载体的加速度,将加速度积分计算出载体的速度,由速度算得载体相对地球的位置。惯性导航系统通常由测量装置计算机、控制显示器等组成。计算机根据测得的加速度信号计算出载体的速度和位置数据,惯性导航是一种自主式导航系统。
  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。
  在南极板架和覆盖着浮冰的海面连续工作数小时的水下机器人的导航系统是为了满足意大利科学探险队在南极所要进行的工作要求。该水下机器人的导航系统必须满足很多约束如精度、体积和能耗等。因此不能采用磁导航(在极点磁失去作用),GPS导航(水下不能使用),声辐射导航(任务距离过远)。它只能通过测量加速度、角速度和速度来估计自身的航向和位置。最佳的惯性和速度测量综合的方法是利用卡尔曼滤波消除惯性传感器测量速度的偏差。概念上来说滤波混合了惯性估计的高频波和速度测量的低频波,比只用加速度得到长期的位置估算准确得多。试验证明这种导航系统,在收敛速度和估算精度方面都显示出指数标定技术的优势。
  佛罗里达太平洋大学的Morpheus水下机器人上采用的增强型惯导系统是基于离岸Honeywell HG1700-AG25三轴环状激光陀螺仪和三轴加速器。地面速度的获取是用多普勒声纳。提出了扩展的卡尔曼滤波,这种方法融合了不同步的惯性和多普勒数据,差分全球定位系统也适时被应用。近来,又设计出新的惯性导航系统。其中惯导系统采用一个高精度的惯性测量单元,一个多普勒速度仪,GPS/DGPS系统和一个磁通(量)闸门罗盘,对执行任务时的机器人进行状态估计。总的说来,惯导系统能够提供每小时1%航行误差的精度,能够满足一般水下机器人导航精度的要求。
  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 。