• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊
  • Scopus收录期刊
  • DOAJ收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

UUV水下自主对接的状态估计算法应用

陈伟新 刘涛 张涛 刘锋

陈伟新, 刘涛, 张涛, 等. UUV水下自主对接的状态估计算法应用[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 713-721 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161
引用本文: 陈伟新, 刘涛, 张涛, 等. UUV水下自主对接的状态估计算法应用[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 713-721 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161
CHEN Weixin, LIU Tao, ZHANG Tao, LIU Feng. Application of State Estimation Algorithm for Autonomous Underwater Docking of UUVs[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(4): 713-721. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161
Citation: CHEN Weixin, LIU Tao, ZHANG Tao, LIU Feng. Application of State Estimation Algorithm for Autonomous Underwater Docking of UUVs[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(4): 713-721. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161

UUV水下自主对接的状态估计算法应用

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161
详细信息
    作者简介:

    陈伟新(1997-),男, 硕士, 助理工程师, 主要研究方向为无人水下航行器总体与水下对接技术

  • 中图分类号: TJ630; U674.941

Application of State Estimation Algorithm for Autonomous Underwater Docking of UUVs

  • 摘要: 无人水下航行器(UUV)水下自主动态对接是实现其远航程协同作业的关键技术之一。针对UUV水下动态对接中对对接装置运动状态估计精度不足的问题, 提出采用交互多模型(IMM)-自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)算法进行运动状态估计。考虑到UUV自身传感器获取的对接装置运动状态量测误差较大, 建立了UUV非线性观测模型, 采用AUKF算法在线实时更新观测噪声以降低观测误差; 针对单运动模型难以准确描述UUV和对接装置相对运动的问题, 构建了UUV与对接装置相对运动模型集, 采用IMM算法优化相对运动描述以提高滤波精度。基于UUV对接试验数据, 对比了无迹卡尔曼滤波(UKF)、AUKF和IMM-AUKF算法对对接装置运动状态的估计结果, 结果表明, IMM-AUKF算法具有更高的估计精度和稳定性, 可满足水下动态对接需求, 提升UUV对接成功率。

     

  • 图  1  UUV对接阶段划分示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of UUV docking stage

    图  2  NED参考坐标系和运载体坐标系相对位置

    Figure  2.  Relative position between NED coordinate system and carrier coordinate system

    图  3  UUV与对接装置相对位置

    Figure  3.  Relative position between UUV and docking device

    图  4  AUKF算法流程图

    Figure  4.  Flow chart of the AUKF algorithm

    图  5  IMM-AUKF算法结构

    Figure  5.  Structure of the IMM-AUKF algorithm

    图  6  动态与静态对接相对运动轨迹对比

    Figure  6.  Comparison of relative motion trajectories between dynamic and static docking

    图  7  动态与静态对接状态估计RMSE对比

    Figure  7.  Comparison of RMSE between dynamic and static docking state estimation

    图  8  对接场景示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of the docking scenario

    图  9  UUV与对接装置相对运动轨迹

    Figure  9.  The relative motion trajectory of the UUV and the docking device

    图  10  模型概率变化曲线

    Figure  10.  Curves of model probability change

    图  11  各算法状态估计位置偏差对比

    Figure  11.  Comparison of position biases in state estimation by different algorithms

    图  12  不同算法RMSE对比

    Figure  12.  Comparison of RMSE among different algorithms

    表  1  动态与静态对接状态估计平均RMSE对比

    Table  1.   Comparison of average RMSE between dynamic and static docking state estimation

    对接类型平均RMSE
    距离/m角度/(°)
    静态对接0.109 70.016 9
    动态对接0.131 00.017 1
    下载: 导出CSV

    表  2  不同算法平均RMSE对比

    Table  2.   Comparison of average RMSE among different algorithms

    算法类型 平均RMSE
    距离/m 角度/(°)
    UKF 0.3187 0.2812
    AUKF 0.0553 0.2218
    IMM-AUKF 0.0470 0.2206
    下载: 导出CSV

    表  3  不同算法峰值RMSE对比

    Table  3.   Comparison of peak RMSE among different algorithms

    算法类型 峰值RMSE
    距离/m 角度/(°)
    UKF 2.106 1.106
    AUKF 0.314 0.872
    IMM-AUKF 0.350 0.872
    下载: 导出CSV
  • [1] 侯海平, 付春龙, 赵楠, 等. 智能自主式水下航行器技术发展研究[J]. 舰船科学技术, 2022, 44(1): 86-90. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.01.017
    [2] 严恭敏, 邓瑀. 传统组合导航中的实用Kalman滤波技术评述[J]. 导航定位与授时, 2020, 7(2): 50-64.
    [3] 王银涛, 贾晓宝, 崔荣鑫, 等. 移动USBL测距辅助的UUV协同导航定位方法[J]. 控制理论与应用, 2022, 39(11): 2057-2064. doi: 10.7641/CTA.2022.11172
    [4] 李杨, 杜度, 范世伟, 等. 基于M估计的多UUV协同定位算法[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(7): 123-126. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2020.04.024
    [5] BAO L H, ZENG Q J, ZHU Z Y, et al. AUV docking recovery based on USBL integrated navigation method[C]//2019 Chinese Automation Congress(CAC). Hangzhou, China: CAC, 2019: 5804-5809.
    [6] LAN J, LI X R, MU C D. Best model augmentation for variable-structure multiple-model estimation[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2011, 47(3): 2008-2025. doi: 10.1109/TAES.2011.5937279
    [7] 陈维义, 何凡, 刘国强, 等. 变结构交互式多模型滤波和平滑算法[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45(12): 4005-4012.
    [8] 许林漪. 基于多模型协作的对比学习样本构建[D]. 广州: 华南理工大学, 2023.
    [9] 李开飞. AUV水下对接关键技术及对接碰撞问题研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2018.
    [10] 郑荣, 吕厚权, 于闯, 等. AUV与自主移动坞站对接的技术研究及系统设计实现[J]. 机器人, 2019, 41(6): 713-721.

    ZHENG R, LÜ H Q, YU C, et al. Technical research, system design and implementation of docking between AUV and autonomous mobile dock station[J]. ROBOT, 2019, 41(6): 713-721.
    [11] 李曾妮. 移动对接过程中的欠驱动AUV路径规划方法研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2022.
    [12] 焦文龙. 欠驱动AUV机动目标跟踪控制研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2019.
    [13] CHEN Y, YONG H, LI C Y, et al. Vehicle state estimation based on sage-husa adaptive unscented Kalman filtering[J]. World Electric Vehicle Journal, 2023, 14(7): 167-189.
    [14] 张常云. 自适应滤波方法研究[J]. 航空学报, 1998, 19(S1): 97-100. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.1998.Z1.021

    ZHANG C Y. Approach to adaptive filtering algorithm[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 1998, 19(S1): 97-100. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.1998.Z1.021
    [15] 许红, 谢文冲, 袁华东, 等. 基于自适应的增广状态-交互式多模型的机动目标跟踪算法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(11): 2749-2755. doi: 10.11999/JEIT190516

    XU H, XIE W C, YUAN H D, et al. Maneuvering target tracking algorithm based on the adaptive augmented state interracting multiple model[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(11): 2749-2755. doi: 10.11999/JEIT190516
  • 加载中
图(12) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  78
  • HTML全文浏览量:  23
  • PDF下载量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-11-22
  • 修回日期:  2025-02-26
  • 录用日期:  2025-03-04
  • 网络出版日期:  2025-06-26

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号