基于网络的AUV智能容错组合导航仿真系统技术方案

本发明专利技术提供的是一种基于网络的ＡＵＶ智能容错组合导航仿真系统，由捷联惯导模拟器、ＧＰＳ模拟器、ＤＶＬ模拟器、ＡＵＶ导航终端四部分构成。子导航系统与ＡＵＶ导航终端通过ＩＰ网络建立连接，向ＡＵＶ导航终端实时传输相关导航信息，并在ＡＵＶ导航终端中完成故障检测及组合导航运算。各个子系统具备独立工作的特点，形成即插即用式ＡＵＶ智能容错组合导航系统；突破了以往传统导航设备通过ＲＳ２３２串口接入组合导航终端，受串口个数限制的问题，达到多用户同时访问的目的，同时也代表了设备ＩＰ化的趋势，有效的节省了研发成本，对于研究组合导航系统以及后期导航系统的通信设计具有重要的工程应用意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种仿真系统，具体地说是一种水下智能机器人的导航仿真 系统。(二)
技术介绍
随着科技进步，占地球面积7(^8%的海洋,以其丰富的生物资源、矿物资源和能源，不断吸引着人们研究水下航行技术，水下探测技术，开发这座社会巨大 的宝库。近年来，AUV成为人类进行海洋生产活动的重要工具和得力助手，在 民用及军用领域具有广泛的应用空间和研发需求。为了适应AUV活动范围广、 隐蔽性要求高和多重使命任务的特点，必须研制一种水下自主、高可靠性、高精 度的组合导航系统。由于湖试、海试需要大量的经费，在进行试验前，进行仿真 验证智能容错组合导航效果具有重要意义。传统的半实物仿真系统，以申请号为200610011580.X中所述半实物仿真系 统为例，通过RS232串行数据线将各导航子系统与组合终端联系在一起，但该 方法受串口个数限制，通常是单机单用，浪费了资源；而普通的集成化模拟方式， 各导航子系统耦合度高，可复用性差，同步性高，无法体现真实环境中，设备之 间信号存在异步的现象。从研究角度来讲，急需研发一种AUV智能容错组合导 航系统，各子系统可以满足多用户多任务并行操作的要求，縮短研发时间，节约 研发成本。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以满足多用户多任务并行操作的要求，为研究 智能容错组合导航系统提供了很好的仿真环境，节约了研发成本的基于网络的 AUV智能容错组合导航仿真系统。本专利技术的目的是这样实现的一种基于网络的AUV智能容错组合导航仿真系统，由捷联惯导模拟器、GPS 模拟器、DVL模拟器、AUV导航终端四部分构成。其中AUV导航终端由a)AUV 运动轨迹发生器、b)故障发生器、c)智能容错组合导航模块、d)轨迹生成模块、4e)用户界面终端和f)通讯模块构成。其中，用户界面终端提供航行计划设置、传 感器参数设置、故障设置、轨迹显示等友好信息交互环境；AUV运动轨迹发生 器根据用户设置的航行计划模拟AUV在海浪摇摆状态下的位置、速度、加速度、 姿态信息；故障发生器负责触发捷联惯导、GPS、 DVL突变与慢变故障；智能 容错组合导航模块通过实时采集到的SINS位置速度姿态信息、GPS位置速度信 息、DVL速度信息进行故障检测及信息融合，最终输出有效导航信息；轨迹生 成模块按照传感器数据及最终组合数据实时绘制导航曲线；通讯模块通过IP网 络与其它模拟器进行信息实时交互。DVL模拟器根据运动轨迹发生器进行DVL 速度信息模拟，与AUV导航终端处于同一 PC;捷联惯导模拟器、GPS模拟器 分别通过IP网络与AUV导航终端建立socket连接，在导航过程中实时传递参数息。其中，捷联惯导模拟器包括用户界面模块、运动仿真模块、惯性传感器仿 真模块、杆臂干扰及噪声生成模块、故障发生模块、导航算法实现模块、通讯模 块。其中，捷联惯导模拟器航行参数、故障参数既可由该模拟器的用户界面模块 设置，也可在AUV导航终端中进行设置；运动仿真模块根据航行计划及运行环 境，模拟AUV在海浪摇摆状态下的位置、速度、加速度、姿态信息；杆臂干扰 及噪声生成模块根据安装误差、常值漂移、随机漂移模拟传感器误差；故障发生 模块可根据该模拟器或AUV导航终端设置的故障参数引入传感器慢变、突变故 障；同时惯性传感器仿真模块实时模拟捷联惯导在该情况下的加速度计及陀螺输 出值；导航算法实现模块根据惯性传感器仿真模块输出的加速度信息及角速度信 息计算载体的位置、速度、姿态信息；通讯模块通过建立socket连接，可获取 AUV导航终端设置的航行计划以及与捷联惯导系统相关的传感器参数和故障参 数等；并可将捷联惯导解算信息实时传输给AUV导航终端。其中，GPS模拟器包括用户界面模块、通讯模块、载体运动模型、卫星轨 迹发生器、可见星预报模块、确定最佳星模块、GPS噪声与故障发生模块、解算 接收点位置模块、通讯模块。GPS模拟器航行参数、故障参数既可由该模拟器的 用户界面模块设置，也可在AUV导航终端中进行设置；运动仿真模块根据航行 计划及运行环境，模拟载体位置、速度、加速度、姿态信息；卫星轨迹发生器由 星历计算卫星瞬时位置，结合载体运动信息由可见星预报模块预测可见星，并确定最佳四颗星；GPS噪声与故障可由该模拟器故障发生模块或AUV导航终端生成，并通过伪距计算引入到由解算接收点位置模块得到最佳点位置信息中；通讯模块通过建立socket连接，可获取AUV导航终端设置的航行计划以及与GPS系统相关的传感器参数和故障参数等；并可将GPS解算的位置速度信息实时传输给AUV导航终端。本专利技术中，SINS、GPS、DVL模拟器通过IP网络与AUV导航终端建立socket连接，其中，DVL模拟器由于模块功能较单一，在本专利技术中与AUV导航终端处于同一PC。三个模拟器可由AUV导航终端进行导航参数设置，误差模型设置，并可由AUV导航终端的故障发生模块触发突变与慢变故障。本专利技术的优势在于，各模块间结合关系本着低耦合、可复用、易扩展的原则，以及即插即用的思想设计AUV智能容错组合导航系统，基于IP网络的模拟环境，使多用户多任务并行操作成为了可能，有效地解决了传统RS232串行通讯设计受串口个数的限制，又保证了各导航子系统的独立工作特性，即插即用的思想从根本上体现了实际工作环境，为导航设备IP化、网络化做了深入的前期准备，具有工程应用价值。(四) 附图说明图l为本专利技术中，AUV智能容错组合导航系统仿真结构图。图2为本专利技术中，智能容错组合模块原理图。图3为本专利技术中，AUV智能容错组合导航仿真系统软件设计流程图。图4为本专利技术中，GPS模拟器结构图。图5为本专利技术中，SINS模拟器结构图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述结合图1， AUV智能组合容错仿真系统由捷联惯导模拟器、GPS模拟器、DVL模拟器、AUV导航终端四部分构成。AUV导航终端由a)AUV运动轨迹发生器、b)故障发生器、c)智能容错组合导航模块、d)轨迹生成模块、e)用户界面终端和f)通讯模块构成。其中，用户界面终端提供航行计划设置、传感器参数设置、故障设置、轨迹显示等友好信息交互环境；AUV运动轨迹发生器根据用户设置的航行计划模拟AUV在海浪摇摆状态下的位置、速度、加速度、姿态信息；故障发生器负责触发捷联惯导、GPS、 DVL突变与慢变故障；智能容错组合导航模块通过实时采集到的SINS位置速度姿态信息、GPS位置速度信息、DVL速度信息进行故障检测及信息融合，最终输出有效导航信息；轨迹生成模块按照传感器数据及最终组合数据实时绘制导航曲线；通讯模块通过IP网络与其它模拟器进行信息实时交互。DVL模拟器根据运动轨迹发生器进行DVL速度信息模拟，与AUV导航终端处于同一 PC;捷联惯导模拟器、GPS模拟器分别通过IP网络与AUV导航终端建立socket连接，在导航过程中实时传递参数信/K、 o图2为智能容错组合模块原理图。首先，对各导航子系统信息进行合理性、一致性检验，各分组合系统进行信息融合，再进行故障检测及系统重构。为了使残差、双状态检测能够判别故障来源，针对SINS/GPS组合导航模块，以捷联惯导与GPS位置信息差作为观测量，设计9阶滤波器获取组合位置信息；以捷联惯导与GPS速度信息差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于网络的ＡＵＶ智能容错组合导航仿真系统，其特征在于：由捷联惯导模拟器、ＧＰＳ模拟器、ＤＶＬ模拟器、ＡＵＶ导航终端四部分构成；ＡＵＶ导航终端由：ａ）ＡＵＶ运动轨迹发生器、ｂ）故障发生器、ｃ）智能容错组合导航模块、ｄ）轨迹生成模块、ｅ）用户界面终端和ｆ）通讯模块构成；其中，用户界面终端提供航行计划设置、传感器参数设置、故障设置、轨迹显示友好信息交互环境；ＡＵＶ运动轨迹发生器根据用户设置的航行计划模拟ＡＵＶ在海浪摇摆状态下的位置、速度、加速度、姿态信息；故障发生器负责触发捷联惯导、ＧＰＳ、ＤＶＬ突变与慢变故障；智能容错组合导航模块通过实时采集到的ＳＩＮＳ位置速度姿态信息、ＧＰＳ位置速度信息、ＤＶＬ速度信息进行故障检测及信息融合，最终输出有效导航信息；轨迹生成模块按照传感器数据及最终组合数据实时绘制导航曲线；通讯模块通过ＩＰ网络与其它模拟器进行信息实时交互；ＤＶＬ模拟器根据运动轨迹发生器进行ＤＶＬ速度信息模拟，与ＡＵＶ导航终端处于同一ＰＣ；捷联惯导模拟器、ＧＰＳ模拟器分别通过ＩＰ网络与ＡＵＶ导航终端建立ｓｏｃｋｅｔ连接，在导航过程中实时传递参数信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝燕玲，郭真，孙枫，高伟，奔粤阳，徐博，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]