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基于目标优化的多普勒计程仪参数离线标定方法

白龙 李速 吴爽

白龙, 李速, 吴爽. 基于目标优化的多普勒计程仪参数离线标定方法[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(s1): 185–193 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01934
引用本文: 白龙, 李速, 吴爽. 基于目标优化的多普勒计程仪参数离线标定方法[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(s1): 185–193 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01934
BAI L, LI S, WU S. Research on offline calibration of DVL parameters based on objective optimization method [J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(s1): 185–193 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01934
Citation: BAI L, LI S, WU S. Research on offline calibration of DVL parameters based on objective optimization method [J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(s1): 185–193 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01934

基于目标优化的多普勒计程仪参数离线标定方法

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01934
详细信息
    作者简介:

    白龙,男,1988年生,硕士,工程师。研究方向:水中兵器,水下组合导航。E-mail:475727336@qq.com

    李速,男,1990年生,硕士,工程师。研究方向:水中兵器。E-mail:734651043@qq.com

    吴爽,男,1993年生,硕士,工程师。研究方向:水中兵器。E-mail:18727238133@qq.com

    通信作者:

    白龙

  • 中图分类号: U666.1

Research on offline calibration of DVL parameters based on objective optimization method

  • 摘要:   目的  为提高水下机器人的水下组合导航定位精度,需要准确标定出捷联惯性导航系统(SINS)和多普勒计程仪(DVL) 之间的安装误差角以及DVL的刻度系数。借鉴多学科优化设计思路,提出基于目标优化方法和传感器实航采集数据的DVL参数离线标定方法。  方法  首先,通过跑船实航的方式,开展传统两点法的DVL标定试验和4个航次的FINS/DVL组合导航定位精度验证试验,并将该试验结果作为对比参照;其次,基于离线数据的组合导航过程仿真,使用田口试验法对DVL参数的值域空间进行随机撒点计算,应用响应面模型对计算结果进行截面插值,得到初步的最优解,即DVL标定参数的初值;之后,使用单目标粒子群优化算法,通过迭代优化DVL参数,最终收敛得到最优解,即该方法标定出的DVL参数;最后,使用实航标定出的DVL参数和优化方法得到的DVL参数,分别进行4个航次的FINS/DVL组合导航的离线仿真验证。  结果  结果表明:目标优化方法适用于DVL参数的离线标定,与传统两点法标定相比,经过该方法标定后的FINS/DVL组合导航的终点定位误差降低了24.1%,水下组合导航定位精度显著提升。  结论  所提方法可为自主式水下机器人(AUV)组合导航系统的DVL标定提供有效手段。
  • 图  1  AUV组合导航系统框图

    Figure  1.  AUV's integrated navigation system

    图  2  标定航迹示意图

    Figure  2.  Schematic trajectory for calibration

    图  3  DVL标定参数的目标优化流程图

    Figure  3.  Target optimization flow chart of DVL calibration parameters

    图  4  实航标定流程图

    Figure  4.  The sailing flow for calibration

    图  5  跑船标定试验结果

    Figure  5.  The results of sailing for calibration

    图  6  4个航次的实航验证结果

    Figure  6.  The results of four navigation tests

    图  7  田口实验法计算过程

    Figure  7.  Calculation process of Taguchi experimental method

    图  8  优化迭代过程

    Figure  8.  Iterative process of optimize

    图  9  优化结果

    Figure  9.  Optimization results

    表  1  4个验证航次的实航结果

    Table  1.   Sailing results of four verification trips

    航次对准方式航程/m最大误差/m终点误差/mCEP50(5 km以远)
    1 DVL对准 6 053 20.63 10.04 0.002 017 6
    2 GPS对准 6 873 26.71 22.6 0.002 779 3
    3 GPS对准 5 786 20.93 16.92 0.002 211 1
    4 DVL对准 5 796 21.18 21.18 0.002 406 7
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    表  2  最优解

    Table  2.   Optimal solution

    序号DVL标定参数FINS/DVL组合导航精度的CEP50指标
    俯仰误差角/rad横滚误差角/rad航向误差角/rad刻度系数第1航次第2航次第3航次第4航次平均值
    7620.085 35-0.068 44-0.014 841.005 470.001 0430.001 7290.002 9130.001 4630.001 787
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    表  3  FINS/DVL组合导航的验证结果

    Table  3.   Validation results of FINS / DVL integrated navigation

    航次DVL标定参数4个验证航次的FINS/DVL组合导航定位精度的CEP50指标
    俯仰误差角/rad横滚误差角/rad航向误差角/rad刻度系数第1航次第2航次第3航次第4航次平均值
    跑船实航0.00.0-0.021 21.002 60.002 0170.002 7790.002 2110.002 4060.002 353
    跑船仿真0.00.0-0.021 21.002 60.002 0170.002 7790.002 2110.002 4060.002 353
    响应面插值解仿真-0.006 90.029 4-0.0191.003 910.001 670.002 6290.005 430.002 2910.003 005
    最优解仿真0.085 35-0.068 4-0.014 81.005 50.001 0430.001 7290.002 9130.001 4630.001 787
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-27
  • 修回日期:  2020-06-23
  • 网络出版日期:  2020-12-10

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