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专利号: 2021114190317
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)系统建模,搭建AUV运动模型和协同定位系统状态空间模型,综合考虑平台的动力学特性、确定输入参变量,加入高斯噪声,建立运动方程;

(2)局部信息滤波,利用无迹变换,对函数的概率密度作近似,求出目标事件的期望和方差,将非线性问题转变成卡尔曼滤波问题,输出局部后验值;

(3)信息增益加权融合,以各组局部滤波信息增益为权重指标,对所有局部后验估计进行加权融合,使全局后验估计结果以加权的形式输出;

(4)并行结构更新,局部信息滤波由主AUV各自独立完成,与系统整体的信息增益加权方法并行运行,参与融合的多源局部滤波信息为当前最新更新结果,从AUV将各组滤波结果融合输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位方法,其特征在于,所述步骤(1)中AUV的平台状态由平台的位置、速度、姿态等元素组成,综合考虑平台的动力学特性、确定输入参变量,加入高斯噪声,建立运动方程,由全体平台的状态、输入和噪声可以得到整个协同定位系统的状态方程,当把单平台和平台间观测方程进行扩展,可得到整个系统的观测方程,状态空间模型是协同定位方法设计的出发点,任意节点的状态空间模型如下:

状态方程:xk=f(xk‑1)+Qk‑1观测方程:

其中xk为被测AUV的真实状态变量, 为观测变量,为被测AUV的真实观测值,状态方程和观测方程均为非线性函数,Qk‑1为预测噪声,Rk为观测噪声,假设二者都为高斯白噪声,满足正态分布;

主AUV和从AUV每隔时间T进行一次协同定位,由主AUV解算出的其与从AUV的相对距离可表示为:

其中 为以高斯白噪声模拟的测量噪声。

3.根据权利要求1所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位方法,其特征在于,所述步骤(2)中局部信息滤波的步骤如下:当前时刻被测AUV节点状态xk‑1的预估期望和协方差 将协方差矩阵分解其中要求 必须要正定;

(a)获取被测AUV状态先验值:L(i)代表矩阵L的第i列,权值为则

得到被探测节点状态先验值 的近似概率密度,其满足正态分布(b)获取被测AUV观测先验值:将 分解,令

L1(i)代表矩阵L1的第i列,权值为(i) (i)

有yk =f(xk‑1 ),则k时刻被测节点的观测值的先验期望其先验方差

(c)观测到被测AUV节点的观测值ym;

(d)更新被测AUV状态后验值:‑1

记k=Pxy(Py)

k时刻被测AUV节点的状态后验期望:其后验方差 至此,k时刻的状态后验估计值和协方差已经获得,进入下一个循环,继续递推。

4.根据权利要求1所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位方法,其特征在于,所述步骤(3)中信息增益加权融合为,计算各组局部滤波信息增益,对所有局部后验估计值以信息增益为权重加权融合,使全局后验估计结果以加权的形式输出:i

主AUV预估的状态先验值和后验值的条件熵分别写作:状态后验估计值 对先验值 的信息增益写作:被测从AUV融合i个主AUV测量结果所得位置状态信息为:权值由下式给出:

5.根据权利要求1所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位方法,其特征在于,所述步骤(4)在各主AUV滤波拥有相同可靠性的前提下,独立完成局部信息滤波,与系统整体的信息增益加权方法并行运行,使得加权融合可以在任意长度的时间间隔内完成。

6.一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位系统,其特征在于,包括系统建模模块、局部信息滤波模块、信息增益加权融合模块、并行结构更新模块;

系统建模模块:搭建AUV运动模型和协同定位系统状态空间模型,综合考虑平台的动力学特性、确定输入参变量,加入高斯噪声,建立运动方程;

局部信息滤波模块:利用无迹变换,对函数的概率密度作近似,求出目标事件的期望和方差,将非线性问题转变成卡尔曼滤波问题,输出局部后验值;

信息增益加权融合模块:以各组局部滤波信息增益为权重指标,对所有局部后验估计进行加权融合,使全局后验估计结果以加权的形式输出;

并行结构更新模块:局部信息滤波由主AUV各自独立完成,与系统整体的信息增益加权方法并行运行,参与融合的多源局部滤波信息为当前最新更新结果,从AUV将各组滤波结果融合输出。

7.根据权利要求6所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位系统,其特征在于,所述系统建模模块中AUV的平台状态由平台的位置、速度、姿态等元素组成,综合考虑平台的动力学特性、确定输入参变量,加入高斯噪声,建立运动方程,由全体平台的状态、输入和噪声可以得到整个协同定位系统的状态方程,当把单平台和平台间观测方程进行扩展,可得到整个系统的观测方程,状态空间模型是协同定位方法设计的出发点,任意节点的状态空间模型如下:

状态方程:xk=f(xk‑1)+Qk‑1观测方程:

其中xk为被测AUV的真实状态变量, 为观测变量,为被测AUV的真实观测值,状态方程和观测方程均为非线性函数,Qk‑1为预测噪声,Rk为观测噪声,假设二者都为高斯白噪声,满足正态分布;

主AUV和从AUV每隔时间T进行一次协同定位,由主AUV解算出的其与从AUV的相对距离可表示为:

其中 为以高斯白噪声模拟的测量噪声。

8.根据权利要求6所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位系统,其特征在于,所述局部信息滤波模块中局部信息滤波的步骤如下:当前时刻被测AUV节点状态xk‑1的预估期望和协方差 将协方差矩阵分解其中要求 必须要正定;

(a)获取被测AUV状态先验值:L(i)代表矩阵L的第i列,权值为则

得到被探测节点状态先验值 的近似概率密度,其满足正态分布(b)获取被测AUV观测先验值:将 分解,令

L1(i)代表矩阵L1的第i列,权值为(i) (i)

有yk =f(xk‑1 ),则k时刻被测节点的观测值的先验期望其先验方差

(c)观测到被测AUV节点的观测值ym;

(d)更新被测AUV状态后验值:‑1

记k=Pxy(Py)

k时刻被测AUV节点的状态后验期望其后验方差 至此,k时刻的状态后验估计值和协方差已经获得,进入下一个循环,继续递推。

9.根据权利要求6所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位系统,其特征在于,所述信息增益加权融合模块中信息增益加权融合为,计算各组局部滤波信息增益,对所有局部后验估计值以信息增益为权重加权融合,使全局后验估计结果以加权的形式输出:

i

主AUV预估的状态先验值和后验值的条件熵分别写作:状态后验估计值 对先验值 的信息增益写作:被测从AUV融合i个主AUV测量结果所得位置状态信息为:权值由下式给出:

10.根据权利要求6所述的一种基于信息增益的水下无人机器人的并行融合定位系统,其特征在于,所述并行结构更新模块在各主AUV滤波拥有相同可靠性的前提下,独立完成局部信息滤波,与系统整体的信息增益加权方法并行运行,使得加权融合可以在任意长度的时间间隔内完成。