双领航者模式下多UUV协同导航定位研究#张立川*（西北工业大学航海学院，西安710072）5101520摘要：多水下无人航行器(UUV)协同导航定位技术是水下协同作业的关键技术，研究了双领航者模式下多UUV协同导航定位问题。双领航者模式下，领航UUV内部装备高精度导航设备，跟随UUV内部装备低精度导航设备，外部均装备水声装置测量相对位置关系，利用协同导航算法融合内部和外部传感器信息，对跟随UUV进行实时定位。研究结果表明，利用UUV的相对位置观测，可以显著提高导航定位精度。关键词：多无人水下航行器；协同导航定位；扩展卡尔曼滤波(EKF)；最近邻原理中图分类号：TP24Cooperativenavigationandlocalizationformulti-UUVsintwoleadersmodeZHANGLichuan(CollegeofMarine,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072)Abstract:Researchoncooperativenavigationandlocalizationofmulti-UUVsisanimportanttopictosolvethecooperativemissionproblem.AcooperativenavigationalgorithmfortwoleaderUUVswaspresented.IntheLeader-Followstructure,theleaderUUVisequippedwithhighprecisionnavigationsystem,andthefollowUUVisequippedwithlowcostnavigationsensors.Theyallareequippedwithacousticdevicetomeasurerelativelocation.Analgorithmwasdesigned,whichfusedtheproprioceptiveandexteroceptivesensors.Theresearchresultsprovethatthenavigationaccuracyhasbeenimprovedeffectivelybyusingcooperativenavigationandlocalizationmethod.Keywords:Multi-UUVs;Cooperativenavigationandlocalization;EKF;Nearestneighbortheory250引言协同导航定位(CooperativeNavigationandLocalization)技术是近年来多智能体发展的热点问题。首先在地面移动机器人领域得到了重视和发展。文献[1]提出了一种移动机器人协同定位方法，给出了具体算法，应用卡尔曼滤波进行了分析，每个机器人利用内部传感器计算303540自身位置，并且各个机器人共享位置信息，改进群体估计精度；文献[2]分析了应用卡尔曼滤波的协同导航算法的误差传播，分别给出了基于位置测量和方位角测量的误差增加速率，最后分析得出在传感器相同的群体情况下，协同导航将能抑制传统航位推算导航误差，使得整个系统导航误差在一定界限内，解决了导航误差随时间增加的问题；文献[3]和[4]指出了状态估计的导航误差上界，并研究了时变网络系统的协同导航。国内学者王玲[5-8]研究了多机器人群在未知环境中基于相对测量和自身运动进行协同、合作定位的技术；衣晓[9-10]研究了多模型算法在协同定位中的应用；彭锐晖[11]研究了在导弹上应用协同定位的可行性。多UUV协同导航基于地面移动机器人的思想，利用水声通信技术测量UUV相对位置关系，从而实现协同导航，已成为国际上UUV导航领域重点研究的问题。文献[12]利用时间同步和水声通信来测量UUV相对位置，对系统模型和分布式kalman滤波进行了研究，并给出了试验结果；文献[13]给出了一个基于移动长基线的协同导航试验，利用时间同步信号基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20106102120057)；国家自然科学基金青年基金项目（51109179）；西北工业大学基础研究基金（JC201228）；西北工业大学翱翔之星资助计划。作者简介：张立川（1982-），男，副教授，主要研究方向：水下航行器导航与控制.E-mail:zlc@nwpu.edu.cn-1-和水声传播延迟(Time-Of-Flight,TOF)进行相对位置测量，对一个领航者、两个跟随者进行了试验；文献[14]综述了近期基于同步时钟声学导航的研究进展，提出了适用于航程超过100km的多UUV导航方法，达到1m的导航精度，导航精度与12kHz长基线水声导航系统相当。C.Reeder[15]等研究了基于双水听器的主从式协同定位方法，领航UUV上装置1个水4550556065声发射器、跟随UUV上装置两个水听器，领航UUV定期发射水声信号，跟随UUV通过测量两个水听器接收到声信号的时间差来确定相对方位角，通过测量两个水听器接收到声信号的强弱来确定距离。美国麻省理工学院Willcox[16]等人研究了协同探雷系统“CADRE”，是近年来多UUV协同作业的成功案例，该多UUV系统拥有一些专门用...