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2. 哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
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2. College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)体积小、机动灵活、活动范围广，在海洋开发和国防领域的作用越来越突出[1, 2, 3]。随着AUV应用的不断深入和应用领域的逐渐扩展，其作业范围也越来越大，对导航系统的要求也越来越高，要求必须具有自主、远程和高精度、长时间工作的能力[4, 5]。因为高精度导航是AUV获取有效信息的必要条件，决定了AUV能否安全作业及返回[6]。AUV常用的导航方式大体上有如下几种：GPS导航、航迹推算、惯性导航、地形匹配、重力场导航和组合导航等[7]。
惯性导航系统(INS)不需要任何外来信息，也不向外辐射任何信息，可适用于任何工作环境[11]，能实时输出载体的位置、速度和姿态等多种导航参数[12]，并且导航数据平稳，短期稳定性好[13]。
由光纤陀螺仪构成的捷联惯性导航系统(SINS)是新一代惯性导航设备，具有体积小、精度高、启动时间快等优点，因此，以光纤陀螺捷联式惯导系统为核心的导航系统能够较好地满足AUV自主导航的要求。但是SINS的误差随时间积累，为了进一步提高水下航行器长时间自主导航的精度，一般采用SINS与多普勒计程仪(DVL)组合的方式来提高系统精度。例如Simrad公司的HUGIN系列AUV导航系统和意大利的SARA号AUV导航系统均采用了SINS/DVL组合导航技术。Kearfott与RDI公司联合研发的新一代的SINS/DVL组合导航系统KN6051的定位精度为0.5%航程(CEP)，其中GPS、INS和DVL三者的数据通过卡尔曼滤波器在内部进行融合。对于SIN/DVL组合导航系统，如何准确标定出SINS与DVL之间的安装误差角及DVL的刻度系数，是确保组合导航系统能拥有较高精度的前提条件之一[14]。文中通过大量的试验，总结出一种简单实用的标定方法，提高组合导航系统的定位精度。在2012年美国举办的第15届国际水下机器人竞赛中，由哈尔滨工程大学研制的装有SIN/DVL组合导航系统的智能水下机器人“敖明”号夺得了全球第4名，这也是亚洲参赛团队在历年比赛中的最好成绩。
1 SINS/DVL 组合导航系统 1.1 SINS组成及性能SINS选用的石英挠性加速度计和光纤陀螺主要性能指标如表 1、2所示。
| 类型 | 性能指标 |
| 输入量程/g | ±25 |
| 二阶非线性系数/(μg·g-2) | <40 |
| 温度系数偏值/(μg·°C-1) | <30 |
| 温度系数标度因数/(ppm·°C-1) | <30 |
| 零偏月稳定性/μg | <50 |
| 刻度系数月稳定性/ppm | <30 |
| 类型 | 性能指标 |
| 角速率范围/((°)·s-1) | ±600 |
| 零偏稳定性/((°)·h-1) | <0.01 |
| 随机游走系数/((°)·h1/2) | <0.001 |
| 标度因数稳定性/ppm | <5 |
SINS如图 1所示，能快速测量AUV的姿态、速度和位置等导航信息，其性能指标如表 3所示。
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| 图 1 光纤捷联惯性导航系统外观示意图Fig. 1 The appearance of SINS based on FoG |
| 类别 | 系统性能 |
| 初始对准时间/min | <10 (系泊或匀速直航) |
| 水平姿态/(°) | <0.05° (1σ) |
| 航向姿态/(°) | <0.1°secФ(1σ) (纯惯性导航) |
| 数据发送频率/Hz | 100 |
| 工作温度/℃ | -40~60 |
| 功耗/W | <14 |
| 长宽高/mm3 | 200×220×180 |
| 重量/kg | <4.2 |
AUV选用LinkQuest公司生产的NavQuest600型DVL，该DVL广泛应用于AUV的水下导航、ROV基站保持，ROV速度、高度监测、海流监测、水下潜器导航、潜水员导航等。NavQuest型DVL主要性能指标如表 4所示。
| 类型 | 性能指标 |
| 频率/kHz | 600 |
| 精度/(mm·s-1) | 1% |
| 最大高度/m | 140 |
| 最小高度/m | 0.3 |
| 最大速度/kn | +/-20 |
| 标准深度/m | 800 |
| 数据更新频率/Hz | 5 |
图 2为由哈尔滨工程大学自行研制的AUV，密封舱内部装有光纤捷联惯性导航系统(SINS)，DVL装在AUV的前端正下方位置。
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| 图 2 安装SINS/DVL组合导航系统的AUVFig. 2 The appearance of AUV installed the integrated navigation system |
为确保组合导航系统能具有较高的定位精度，DVL及SINS在安装后都需要进行标定，得到其安装误差以及刻度系数，使组合导航系统的输出更接近载体的真实运动情况。本文选取多点参考定位方法，其原理是利用GPS系统测量AUV准确的经纬度和速度信息来估计DVL和SINS的各项误差。
2.1 DVL安装误差标定如图 3所示，标定时选择一片开阔水域，设计AUV的预定航线为OA，尽量保持匀速直航，在试航一段时间(如5 min)，到达初始测量就位点B1，开始标定，此时AUV游弋的点设为Bi(i=1,2，…)，从B1点开始同时记录GPS时间、GPS定位数据和组合导航系统定位数据，共记录若干组数据(B1，B2，B3，…)。一般情况下，该航段能正常接收GPS定位信号。但由于受风浪的影响，AUV装载的GPS接收机效果可能比较差，因此，需要根据实际情况，设定采集数据时间，确保接收到高质量的定位信号后才进入下潜水航行阶段，同时用有效的GPS信息更新SINS位置信息。
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| 图 3 GPS参考定位试验示意图Fig. 3 The experimental scheme of DVL calibration with GPS |
然后AUV下潜，DVL正常工作，将所测量的速度输入到SINS，组合后得到组合定位信息，此时，AUV无法收到有效的GPS信息。在标定期间尽量保持航速、航向不变，由于水流的作用，AUV实际上沿着BC方向航行。考虑到实际应用中对位置、速度精度的要求，需从B1开始航行直线距离大于5 km，即到达C1点，AUV浮出水面，重新接收GPS位置信息，从C1点开始按照预定程序记录GPS时间、位置和速度等数据，设为C1，C2，C3，…，这样就完成了一条测线。据此往返多次，即可完成若干条测线的标校工作，整个试验的工作流程如图 4。
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| 图 4 安装误差角标校流程图Fig. 4 Calibration process of misalignment between SINS and DVL |
为了使得测量的数据更准确，需要AUV做多条次航行，而且入水和出水点的直线距离尽可能远。AUV受水流的干扰，有可能在一片区域内游动，由一条测线就将得到若干组偏角值，因此将全部测线中的偏角求平均就得到了需要的安装偏角。如果条件允许，可以使AUV往返2~3次，采用逐次逼近的方法，可以精确修正安装误差角。该误差角精度有限，可以在后续的SINS安装误差角标定中得到进一步修正。
2.2 DVL刻度系数的标定DVL在水中由于受水温、盐度和环境噪声的影响，而且本身的信号存在衰减、散射等情况，因此，测量的速度与真实值存在差异，此时，可以引入一个系数k对DVL的速度进行综合误差修正。在一条测线上可以测量得到通过A1C1,A2C2，…，AiCi测量段的平均速度vtrue和计程仪速度vDVL，则速度修正系数为
对多条测线测量的k值求平均就可以得到所需的速度修正系数。通过上述试验，即可得到DVL速度的刻度误差修正系数。
2.3 SINS安装误差标定SINS在装上AUV时不可避免地存在安装偏差，这部分安装偏差也会加入到最终的系统误差中去，不容忽视。SINS安装误差可采用光学棱镜瞄准的方法，在安装之前尽可能使捷联惯导系统的安装与AUV的艏艉线保持一致。在精确细致安装的基础上，再引入GPS信号，通过设计合理的航行轨迹，实时采集AUV精确的位置信息，完成对SINS的安装误差的标定。
如图 5所示，AUV航行于在静态水面上，由O点出发向A点行驶。由于SINS存在有安装误差，导致AUV偏离预定航迹OA，其真实航迹为OB。因此，图中预定航迹OA与真实航迹OB的夹角α1就是SINS的安装误差角。A点和B点坐标可由GPS定位系统得知，计算得知OA与AB的距离，因此有α1=tan－1(AB/OA)。在B点重复以上实验，能够计算得出安装误差的小角度修正值α2、α3,则安装误差角为：α=α1+α2+α3。修正2~3次后，如果定位误差达到设定阈值，即可认为SINS的安装误差已经基本标定准确。
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| 图 5 捷联惯性导航系统安装误差标定图Fig. 5 The map of calibration for SINS installation error |
针对实际航行环境，设计一系列DVL性能测试试验及水下航行试验，来验证用上述标定方法的可行性。
3.1 DVL性能测试试验标定DVL的安装误差角及其刻度系数后，以GPS的速度作为参照，测试DVL的性能，并标定DVL的速度误差。由于所选用的GPS定位精度优于5 m，速度精度优于0.1 m/s，该误差相对于组合导航系统较小，因此可以将其视为基准信号。
该试验可初步标定出DVL的安装误差及刻度系数，试验结果如图 6所示，DVL的测速精度在稳定航行阶段能够保持在0.2 m/s(1σ)之内，基本符合组合导航定位要求。试验也发现，DVL在AUV系泊状态，噪声比较大，因此可以通过SINS的姿态、角速度等信息判断，在机动小时，适当增加低通滤波环节，减少DVL的速度噪声。
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| 图 6 DVL粗标定试验结果Fig. 6 Result of coarse calibration of DVL |
将SINS/DVL组合导航系统安装于AUV内部，配重后并检查整个潜器的气密性，符合要求后，进行了第1次水下试航，其航行结果如图 7所示。
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| 图 7 精确标定前航迹对比Fig. 7 The track comparison between GPS and SINS/DVL integrated navigation before fine calibration |
由图 7可知，当AUV浮出水面时，由于尚未对SINS进行安装误差标定，因此组合导航系统的推算位置与GPS的定位信息差别较大。因此对SINS进行第2次安装误差标定修正，以提高组合导航系统的定位精度。其中，先对SINS的安装误差进行大角度修正，再对SINS的安装误差进行第2、3次等小角度的修正。多次标定后的水下航行试验结果如图 8所示。
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| 图 8 精确标定后GPS与组合导航系统航迹对比Fig. 8 The track comparison between GPS and SINS/DVL integrated navigation after fine calibration |
对SINS进行安装误差的粗、精两级标定后，又进行了多个条次的试航，以检验标定的效果，当AUV浮出水面时，组合导航系统的推算位置与GPS的定位信息基本一致，但仍存在少许偏差。将标定的3个条次和验证的条次试验结果列入表 5中，试验结果比较理想，定位误差优于10 m，达到了预定目标。
| 试航条次 | SINS/OVL经度/(°) | SINS/OVL纬度/(°) | GPS经度/(°) | GPS纬度/(°) |
距离 差/m |
航行距 离/m |
| 1 | 118.982 521 | 29.589 146 | 118.982 178 | 29.501 00 | 101 | 3 273 |
| 2 | 118.973 423 | 29.579 813 | 118.952 995 | 29.579 51 | 51 | 3 014 |
| 3 | 118.962 957 | 29.579 529 | 118.953 140 | 29.579 51 | 17 | 3 136 |
| 4 | 118.982 109 | 29.590 015 | 118.982 178 | 29.590 01 | 7 | 3 273 |
由表 5可知，随着SINS/DVL的安装误差和DVL速度刻度系数逐步精确，组合导航系统的定位精度逐步提高。根据实际应用经验，认为AUV在较长航行时间后(比如>1h)，由于组合导航系统的定位误差一般远大于GPS定位的精度，可以以GPS位置信息作为基准信息。但是，当组合导航系统的长航时定位精度接近GPS本身的定位精度时，可以结束标定，再次修正意义不大。
4 结束语选取了多点参考位置方法，通过对比GPS与SINS/DVL组合导航系统的位置，反复迭代计算SINS/DVL的安装误差以及DVL的刻度系数。由实际的水下航行试验结果可知，SINS/DVL的组合导航系统经过标定后，能够保证较高的导航定位精度，该方法简单、有效，具有一定的实用价值。
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