AUV Relative Position and Attitude Determination Using Acoustic Beacons
https://doi.org/10.17285/0869-7035.00107
Abstract
The proposed real-time algorithm for autonomous underwater vehicle (AUV) relative position and attitude determination uses range measurements to acoustic beacons positioned at small distances to each other on a common platform. Mutual arrangement of AUV and beacons is a priori unknown, and their time scales are not synchronized. The developed algorithm considers the nonlinear character of measurements while featuring a lower computational burden compared to the maximum likelihood method. Results from simulation and postprocessing of real data with different AUV arrangement relative to the beacons are provided.
References
1. Sotiropoulos, P., Tosi, N., Andritsos, F., et al., Optimal docking pose and tactile hook-localisation strategy for AUV intervention: the DIFIS deployment case, Ocean Eng., 2012, 46: 33–45.
2. Palomeras, N., Ridao, P., Ribas, D., Vallicrosa, G., Autonomous I-AUV Docking for Fixed-base Manipulation, Proceedings of the 19th IFAC World Congress, Aug. 24–29, 2014, Cape Town, South Africa, pp. 12160–12165, https://doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.01878.
3. Vallicrosa, G., Bosch, J., Palomeras, N., Ridao, P., Carreras, M., Gracias, N., Autonomous homing and docking for AUVs using Range-Only Localization and Light Beacons, IFAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, issue 23, pp. 54–60, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.321.
4. Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация. 2016. №3. C. 115–130.
5. Zhong, l., Li, D, Lin, M., Lin, R., Yang, C., A Fast Binocular Localisation Method for AUV Docking, Sensors (Basel), 2019, Apr., 19(7): 1735.
6. Uchihori, H., Yamamoto, I., Morinaga, A., Concept of Autonomous Underwater Vehicle Docking Using 3D Imaging Sonar, Sensors and Materials, 2019, vol. 31, no. 12, pp. 4223–4230.
7. Fan, S., Liu, C., Li, B., et al., AUV docking based on USBL navigation and vision guidance, J. Mar. Sci. Technol., 2019, 24: 673–685.
8. Wang, J., Xu, T. and Wang, Z., Adaptive robust unscented Kalman filter for AUV acoustic navigation, Sens., 2020, 20: 60.
9. Zuo, M., Wang, G., Xiao, Y., Xiang, G., A Unified Approach for Underwater Homing and Docking of over-Actuated AUV, J. Mar. Sci. Eng., 2021, 9, 884, https://doi.org/10.3390/jmse9080884.
10. Lin, R., Zhang, F., Li, D., Lin, M., Zhou, G., Yang, C., An Improved Localization Method for the Transition between Autonomous Underwater Vehicle Homing and Docking, Sensors, 2021, 21, 2468, https://doi.org/10.3390/s21072468.
11. Грузликов А.М. Навигация АНПА в ближнем поле в интересах решения задачи приведения к причальному устройству // Сборник материалов XXIX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2022. С. 138–140.
12. Кошаев Д.А. Относительное позиционирование и определение ориентации автономного необитаемого подводного аппарата по данным от гидроакустических маяков // Материалы XXXIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб., 2022. С. 70–77.
13. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2016.
14. Дмитриев С.П. Высокоточная морская навигация. СПб.: Судостроение, 1991. 224 с.
15. Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / 3-е изд. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2003.
16. Алберт А. Регрессия, псевдоинверсия и рекуррентное оценивание. М.: Наука, 1977. 224 с.
17. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. М.: Мир, 1999. 548 с. 18. Bancroft, S., An algebraic solution of the GPS equations, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 1985, vol. 21, no. 7, pp. 56–59.
18. Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич И.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. Шебшаевича В.С. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.
19. Барабанов О.О., Барабанова Л. П. Математические задачи дальномерной навигации. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 272 с.
20. Деревянкин А.В., Матасов А.И. О конечном алгоритме определения местоположения объекта по разностям измерений псевдодальностей // Гироскопия и навигация. 2015. №2. С. 106–117.
21. Бедин Д.А. Позиционирование по измерениям псевдодальностей с помощью метода Банкрофта: подходы к описанию нелинейного распределения ошибок // Сборник материалов XXIX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2022. С. 319–322.
22. Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Басин М.В. Алгоритм полиномиальной фильтрации в задачах обработки навигационной информации при квадратичных нелинейностях в уравнениях динамики и измерений. Часть 1. Описание алгоритма // Гироскопия и навигация. 2021. №3 (114). С. 3–33.
23. https://www.mathworks.com/help/optim/ug/lsqnonlin.html
24. https://www.mathworks.com/help/optim/ug/least-squares-model-fitting-algorithms.html#f204
25. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985.
Review
For citations:
Koshaev D.A. AUV Relative Position and Attitude Determination Using Acoustic Beacons. Gyroscopy and Navigation. 2022;30(4):122-141. (In Russ.) https://doi.org/10.17285/0869-7035.00107
Views:
4
Email this article 