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基于Resnet和FrFT的水下多目标定位

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华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第3期52卷 127-134页

作者：刘树东马子枫王燕张艳天津城建大学计算机与信息工程学院天津300384

针对水下多目标定位精度依赖采样间隔的问题,提出了将深度残差网络(ResNet)和分数傅里叶变换(FrFT)相结合的多目标定位算法(MLRF).首先,建立水下多目标定位仿真模型;其次,使用ResNet训练了一种适合多目标定位的网络;然后,对回波进行FrF... 详细信息

针对水下多目标定位精度依赖采样间隔的问题,提出了将深度残差网络(ResNet)和分数傅里叶变换(FrFT)相结合的多目标定位算法(MLRF).首先,建立水下多目标定位仿真模型;其次,使用ResNet训练了一种适合多目标定位的网络;然后,对回波进行FrFT得到其频谱图,使用ResNet检测频谱峰值并计算目标个数;最后,设计了一个多目标定位算法来区分不同目标数据,并估计每个目标的位置和速度.通过仿真对比了信噪比(SNR)和锚节点数量对定位的影响.实验结果表明:MLRF算法的定位均方根误差随信噪比和锚节点数量的增加而减小,并在SNR为-5时均方误差在2 m以下.该方法受噪声影响较小,能够有效应对水下多目标定位问题,并有助于水下多目标跟踪的研究.

关键词：水下定位多目标定位分数傅里叶变换深度残差网络传感器

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基于宇宙线缪子探测的水下定位方法研究

战术导弹技术 2023年第4期 56-68页

作者：熊凯魏春岭周鹏空间智能控制技术全国重点实验室北京控制工程研究所北京100094

水下航行器长时高精度导航定位是一个具有挑战性的问题。传统导航手段,如全球卫星导航、惯性导航、基于光学测量的天文导航等,在信号遮挡或长期运行等应用条件下存在局限性。针对上述问题,研究基于宇宙线缪子探测的水下定位方法,分别在... 详细信息

水下航行器长时高精度导航定位是一个具有挑战性的问题。传统导航手段,如全球卫星导航、惯性导航、基于光学测量的天文导航等,在信号遮挡或长期运行等应用条件下存在局限性。针对上述问题,研究基于宇宙线缪子探测的水下定位方法,分别在水面和水下航行器上配置参考缪子探测器和载体缪子探测器,测量缪子信号到达参考缪子探测器和载体缪子探测器的时间之差(Time Difference of Arrival,TDOA),根据TDOA观测量和参考缪子探测器先验信息,估计得到载体缪子探测器的位置。设计了基于缪子探测器和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的水下航行器全参数导航解算方法,建立了面向卡尔曼滤波器(Kalman Filter,KF)设计及系统性能分析的状态方程和观测方程,通过计算导航系统的克拉美劳下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)考察了缪子-惯性组合导航方法用于水下定位的潜在性能。数学仿真研究表明,面向水下航行器的缪子定位系统(Muon Positioning System,μPS)能够达到分米量级的精度水平。

关键词：缪子探测水下定位自主导航状态估计卡尔曼滤波器缪子定位系统惯性测量单元

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水下定位声线扰动分析与分段指数权函数设计

测绘学报 2021年第7期50卷 982-989页

作者：王薪普薛树强曲国庆刘以旭杨文龙山东理工大学山东淄博255049 中国测绘科学研究院北京100830 山东科技大学山东青岛266590

声速误差是水下声学定位的重要误差来源,主要包括声速测量本身的不确定性及声速时空变化误差。本文基于常梯度声线跟踪模型,导出入射角、声速梯度及深度变化产生的声线扰动数学模型。已有研究表明,对于相同的水深和声速梯度,入射角越大... 详细信息

声速误差是水下声学定位的重要误差来源,主要包括声速测量本身的不确定性及声速时空变化误差。本文基于常梯度声线跟踪模型,导出入射角、声速梯度及深度变化产生的声线扰动数学模型。已有研究表明,对于相同的水深和声速梯度,入射角越大其扰动对声线影响越大,声线弯曲影响越明显。依据导出的入射角扰动对声线扰动的函数响应关系,构建了入射角相关的水下定位分段指数函数随机模型。试验结果表明:分段指数函数随机模型的定位结果相较于等权模型、指数模型有明显改善,与分段余弦随机模型定位结果相当,但本文随机模型会保留更多观测信息。

关键词：入射角声线传播水下定位随机模型

机器人在管道提升式深海采矿系统中智能化的挑战与发展趋势

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科技导报 2024年第12期 92-106页

作者：沈义俊张炜峰周健一全嘉鑫李文庆刘悦凡张瑞永李萌海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海南大学海洋科学与工程学院

近年来对深海矿物资源的开采需求逐步增大，为了解决传统的管道提升式采矿系统的缺陷，提出将智能化机器人引入来实现高效、精准的矿物采集和结构物的健康监测。但由于深海环境复杂，与陆地上机器人相比，水下机器人的设计需要考虑海洋... 详细信息

近年来对深海矿物资源的开采需求逐步增大，为了解决传统的管道提升式采矿系统的缺陷，提出将智能化机器人引入来实现高效、精准的矿物采集和结构物的健康监测。但由于深海环境复杂，与陆地上机器人相比，水下机器人的设计需要考虑海洋带来的阻力、噪声等多方面的影响。从水动力学、水下定位和水下视觉3个方面介绍了管道提升式深海采矿系统中采矿机器人的发展与技术难点，概述了机器人管道检测技术。探讨了深海资源开采水下机器人的技术发展方向。

关键词：深海采矿机器人管道检测机器人水下动力学水下定位水下视觉

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泳池清洁机器人水下定位系统设计

泳池清洁机器人水下定位系统设计

作者：王跃明天津工业大学

学位级别：硕士

泳池清洁机器人是一款利用集成的水泵过滤清洁系统和池底滚筒刷洗系统来实现自主清洁泳池的机器人。通过泳池清洁机器人清洁泳池,可以减少水资源的浪费,降低泳池清洁的人工成本,因而在国内外市场备受青睐。随着锂电池技术和防水技术的... 详细信息

泳池清洁机器人是一款利用集成的水泵过滤清洁系统和池底滚筒刷洗系统来实现自主清洁泳池的机器人。通过泳池清洁机器人清洁泳池,可以减少水资源的浪费,降低泳池清洁的人工成本,因而在国内外市场备受青睐。随着锂电池技术和防水技术的不断发展,内置锂电池的泳池清洁机器人逐渐成为市场上的主流。然而,如何利用有限的电量做到最大效率的覆盖清洁,以及在较大的泳池中机器如何做到区域化清洗,这些都依赖于完善的水下定位路径规划技术。本文通过对泳池清洁机器人水下定位系统进行研究,获取机器人在泳池中的二维坐标,为实施区域化清洗以及实施路径规划研究提供了基础条件,对泳池清洁机器人节能以及提高工作效率具有重要现实意义。本文主要工作内容如下:1、研究了基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)模型的水下定位算法。对常见的定位算法Chan算法、Taylor算法和卡尔曼滤波算法进行理论研究;分析定位系统测量的误差来源;通过调整TDOA测量值协方差矩阵,达到提高系统获取定位数据的准确性目的。2、研究设计了将无线时钟同步结合到水下定位系统实现时钟同步的解决方案。首先,分析了定位系统中工作系统时钟的误差来源;然后研究了无线同步算法;最后,通过搭建测试环境以及样机验证了该时钟同步解决方案的精度和可靠性,成功解决了水下定位系统时钟同步的问题。3、设计了基于二进制频移键控(Binary Frequency Shift Keying,2FSK)电路的水下定位硬件系统。分析研究水声换能器,实测水声换能器的工作频率;根据工作频率设计了2FSK的发射电路和接收电路以及配套的外围电路。4、根据水下定位系统的功能要求,以控制器GD32F303CBT6为核心进行了系统的软件设计。给出软件系统的总体方案;根据总体方案和功能需求完成设计各个软件模块;最后,基于硬件系统完成了水下定位系统的功能测试。5、搭建测试环境验证系统定位。依据定位系统进行现场测试;通过TDOA实测结果对比分析了Chan算法、Taylor算法、卡尔曼滤波算法以及调整TDOA测量值协方差矩阵算法的性能。实验结果表明,在该定位系统中采用Taylor算法得到的定位精度和离散程度要优于Chan算法;在选取迭代初值误差较小的前提下,采用卡尔曼滤波算法得到的定位精度和离散程度要优于不采用卡尔曼滤波算法;采用调整TDOA测量值协方差矩阵的算法获得的定位精度和离散程度要优于不调整TDOA测量值协方差矩阵的算法;通过采用调整TDOA测量值协方差矩阵结合卡尔曼滤波算法达到了定位系统的定位误差小于0.4m的效果。

关键词：泳池清洁机器人 2FSK 无线时钟同步 TDOA 水下定位

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单信标测距AUV水下定位系统观测性分析

中南大学学报（自然科学版） 2012年第8期43卷 3085-3090页

作者：严卫生房新鹏崔荣鑫西北工业大学航海学院陕西西安710072

针对基于单信标测距的自主水下航行器(AUV)定位系统观测性问题,建立AUV三维空间运动学模型,选取实物平台常用的深度、偏航角和俯仰角作为基本观测量辅助距离信息进行水下定位,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析不同辅助测量... 详细信息

针对基于单信标测距的自主水下航行器(AUV)定位系统观测性问题,建立AUV三维空间运动学模型,选取实物平台常用的深度、偏航角和俯仰角作为基本观测量辅助距离信息进行水下定位,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析不同辅助测量值下系统的可观性以及控制输入和运动路径对可观性的影响。研究结果表明:满足定位系统可观测的最简量测组合为距离值和偏航角,含有偏航角的辅助量测组合均使得定位系统可观测,系统控制输入和运动路径的变化会导致可观性发生变化。

关键词：单信标自主水下航行器观测性分析水下定位

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顾及声线入射角的水下定位随机模型

测绘学报 2018年第9期47卷 1280-1289页

作者：赵爽王振杰刘慧敏中国石油大学(华东)地球科学与技术学院山东青岛266580 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室山东青岛266071

水下定位中广泛采用的等权随机模型,实现简单但与实际不符,影响水下定位精度。针对该问题,结合水下定位实际,考虑水声测量误差和声线弯曲误差影响,在分析随机模型不完善条件下参数估计性质的基础上,构建了4种基于声线入射角的水下定位... 详细信息

水下定位中广泛采用的等权随机模型,实现简单但与实际不符,影响水下定位精度。针对该问题,结合水下定位实际,考虑水声测量误差和声线弯曲误差影响,在分析随机模型不完善条件下参数估计性质的基础上,构建了4种基于声线入射角的水下定位随机模型。通过模拟算例和实测数据进行了验证。结果表明:所构建的4种入射角随机模型比等权模型在定位精度上具有一定优势,其中分段余弦模型定位结果最好;入射角阈值取值在40°~50°范围内时,定位精度最高;100m以内水深环境下,基于声线入射角的随机模型改善了传统等权模型的定位结果。

关键词：水下定位随机模型声线入射角等权模型

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UUV水下定位方法的研究现状与进展

哈尔滨工程大学学报 2017年第7期38卷 989-1000页

作者：严浙平王璐哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

为了解决水下无人航行器(UUV)定位问题,对现有的UUV定位方法进行总结。UUV是海洋探测、开发的重要工具,精准的水下定位方法是顺利完成各种任务的重要前提与保障。随着水下定位技术的不断发展,涌现了许多水下定位方法。水下的特殊环境使... 详细信息

为了解决水下无人航行器(UUV)定位问题,对现有的UUV定位方法进行总结。UUV是海洋探测、开发的重要工具,精准的水下定位方法是顺利完成各种任务的重要前提与保障。随着水下定位技术的不断发展,涌现了许多水下定位方法。水下的特殊环境使得一些定位方法的应用受到了极大的限制。为了满足UUV的智能性以及自主性的需求,学者们提出了许多定位方法。根据不同原理、应用环境以及应用需求对UUV水下定位方法分类,分析各种方法的优劣,并对近年来的新兴方法进行了总结。结合UUV水下定位方法中当前存在的问题以及未来的发展趋势提出展望。

关键词：水下无人航行器水下定位定位方法智能装备自主定位

基于多USV/AUV的水下定位系统队形结构研究

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系统工程与电子技术 2014年第5期36卷 947-951页

作者：房新鹏严卫生张福斌李俊兵西北工业大学航海学院陕西西安710072

针对现有自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)水下高精度定位技术的不足,基于水面全球定位系统智能浮标技术和移动长基线技术,提出一种基于多无人水面船(unmanned surface vehicle,USV)的水下定位方法。重点利用克拉美... 详细信息

针对现有自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)水下高精度定位技术的不足,基于水面全球定位系统智能浮标技术和移动长基线技术,提出一种基于多无人水面船(unmanned surface vehicle,USV)的水下定位方法。重点利用克拉美罗下界和费希尔信息矩阵理论建立了定位系统的定位性能评价函数,通过评价函数极大化方法,分析了三维空间定位系统中USV/USV以及USV/AUV之间的相对队形结构对定位性能的影响。此外,分析了最优队形结构条件下,定位性能相对于较小的距离值偏差以及角度值偏差的敏感性变化问题。最后,仿真实验结果证明了结论的有效性。

关键词：水下定位评价函数敏感性分析最优队形结构