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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): 1-10 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): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161
CHEN Weixin, LIU Tao, ZHANG Tao, LIU Feng. Application of state estimation algorithm for UUV docking[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161
Citation: CHEN Weixin, LIU Tao, ZHANG Tao, LIU Feng. Application of state estimation algorithm for UUV docking[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. 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, 主要研究方向为总体技术

  • 中图分类号: TJ630; U674.941

Application of state estimation algorithm for UUV docking

  • 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不足的问题, 提出交互多模型自适应无迹卡尔曼滤波(IMM-AUKF)进行运动状态估计的方法。考虑对接中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, 采用自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)算法在线实时更新观测噪声以降低观测误差; 考虑单运动模型对UUV和对接装置相对运动描述困难, 建立了UUV与对接装置相对运动模型集, 采用交互多模型算法描述UUV与对接装置相对运动以提高滤波精度。通过UUV对接试验数据, 进行UKF、AUKF和IMM-AUKF算法对对接装置运动状态估计结果对比, 结果表明IMM-AUKF算法对对接装置运动状态估计具有较高的精确性和稳定性, 可满足水下动态对接需求, 提高UUV对接成功率。

     

  • 图  1  UUV对接阶段划分

    Figure  1.  Stages of UUV docking

    图  2  NED地理参考坐标系和运载体坐标系相对位置

    Figure  2.  Relative position of navigation coordinate system and carrier coordinate system

    图  3  UUV与对接装置相对关系

    Figure  3.  Relative relationship between UUV and docking device

    图  4  AUKF算法流程图

    Figure  4.  Flowchart of the AUKF algorithm

    图  5  IMM-AUKF算法结构图

    Figure  5.  Diagram of the structure of the IMM-AUKF algorithm

    图  6  动态、静态对接相对运动轨迹图

    Figure  6.  Dynamic and static docking relative motion trajectories

    图  7  动态、静态对接状态估计RMSE

    Figure  7.  The RMSE of dynamic and static docking state estimation

    图  8  对接示意

    Figure  8.  Docking schematic

    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.  Model probability change curve

    图  11  状态估计中位置偏差

    Figure  11.  Position bias in state estimation

    图  12  各算法RMSE

    Figure  12.  Root mean square error of each algorithm

    表  1  动态、静态对接状态估计平均RMSE

    Table  1.   Average RMS error of dynamic and static docking state estimation

    对接类型平均RMSE
    距离R/m角度$ \delta $/°
    静态对接AUKF0.109 70.016 9
    动态对接AUKF0.131 00.017 1
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    表  2  各算法平均RMSE

    Table  2.   The average RMSE of each algorithm

    算法类型平均RMSE
    距离$\rho $/m角度$ \delta $/°
    UKF0.31870.2812
    AUKF0.05530.2218
    IMM-AUKF0.04700.2206
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    表  3  各算法峰值RMSE

    Table  3.   Peak RMSE of each algorithm

    算法类型 峰值RMSE
    距离$\rho $/m 角度$\delta $/°
    UKF 2.106 1.106
    AUKF 0.314 0.872
    IMM-AUKF 0.350 0.872
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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

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