自主水下航行器多分支網(wǎng)絡(luò)光學(xué)導(dǎo)引定位方法

以下文章來源于中國(guó)科學(xué)信息科學(xué)，作者 SCIS

研究意義

為了提高自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）末端光學(xué)導(dǎo)引回收的精度，本文提出了一種可靠的導(dǎo)引回收方法，旨在為AUV在能源補(bǔ)充、數(shù)據(jù)傳輸和指令下達(dá)等方面提供更快的解算速度、較低的算力功耗需求以及較少的能量消耗。

本文工作

本文搭建了基于多象限測(cè)角的光學(xué)導(dǎo)引定位硬件系統(tǒng)，提出了多分支回歸網(wǎng)絡(luò)的AUV光學(xué)導(dǎo)引定位方法(圖1)。首次將深度網(wǎng)絡(luò)引入多象限測(cè)角的光學(xué)導(dǎo)引定位位置解算任務(wù)中，設(shè)計(jì)了多分支結(jié)構(gòu)的位置解算回歸網(wǎng)絡(luò)，研究了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多維度定位約束訓(xùn)練方法, 構(gòu)建了水下光學(xué)導(dǎo)引定位系統(tǒng)的物理幾何關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)導(dǎo)引硬件與算法的一體化設(shè)計(jì)。通過解算多象限光電探測(cè)器采集的導(dǎo)引燈偏角數(shù)據(jù)，獲取了AUV與導(dǎo)引燈的相對(duì)位置，實(shí)時(shí)輸出AUV的即時(shí)位置坐標(biāo)，完成了海試驗(yàn)證。

圖1 AUV導(dǎo)引定位系統(tǒng)示意圖

創(chuàng)新點(diǎn)：

導(dǎo)引硬件與算法一體化設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)水下光學(xué)導(dǎo)引大視角的高精度定位，本文采用了多象限光電探測(cè)器，分析導(dǎo)引燈組排布與AUV的物理幾何關(guān)系，進(jìn)而建立了光學(xué)導(dǎo)引偏角-位置的數(shù)學(xué)模型。從導(dǎo)引燈的幾何排布角度出發(fā)，在理論上證明了使用三個(gè)非共線排布的導(dǎo)引燈可以確保導(dǎo)引燈偏角數(shù)據(jù)與AUV位置 (簡(jiǎn)稱偏角-位置) 的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系, 是保證在算法層面產(chǎn)生唯一位置真值解的重要前提條件。

多分支結(jié)構(gòu)的位置解算回歸網(wǎng)絡(luò)。為了提升模型的表示能力，本文采用深度學(xué)習(xí)方法建模，設(shè)計(jì)了多分支結(jié)構(gòu)的位置解算回歸網(wǎng)絡(luò)（圖3）。將通過多象限光電探測(cè)器獲取的導(dǎo)引燈偏角信息進(jìn)行AUV位置解算的任務(wù)視為回歸問題，采用編解碼器結(jié)構(gòu)，提高了位置解算精度和速度。

多維度的空間位置約束目標(biāo)函數(shù)。為了更高效地指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)優(yōu)化，本文從方向、距離、坐標(biāo)三個(gè)維度設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)模型目標(biāo)函數(shù)，建立了多維度空間定位精度約束，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)模型的解算精度和泛化能力。

圖3 AUV多分支網(wǎng)絡(luò)光學(xué)導(dǎo)引定位方法技術(shù)路線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在導(dǎo)引回收任務(wù)中，全面評(píng)估定位精度對(duì)于確保方法效果至關(guān)重要，通過在不同距離的定位精度實(shí)驗(yàn)。展示本文研究方法在位置解算的準(zhǔn)確性。本文方法在 0.8m 至 20m 范圍內(nèi)的坐標(biāo)定位精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示?？梢钥闯?，絕對(duì)坐標(biāo)誤差隨著距離的增加而增加，由統(tǒng)計(jì)分析可得，其均值 58.292mm@0.8 ~ 20m，標(biāo)準(zhǔn)差為 43.347mm@0.8 ~ 20m.

圖4 不同距離的定位精度分布圖

為了直觀展示多分支網(wǎng)絡(luò)光學(xué)導(dǎo)引定位方法的位置坐標(biāo)解算精度，設(shè)計(jì)仿真軌跡以進(jìn)一步測(cè)試，AUV 坐標(biāo)預(yù)測(cè)軌跡的可視化結(jié)果（圖6）。軌跡仿真實(shí)驗(yàn)中采樣了 80 個(gè)點(diǎn)，其坐標(biāo)解算的絕對(duì)坐標(biāo)誤差均值為 41.256mm@0.8 ~ 20m，絕對(duì)坐標(biāo)誤差最大值為 143.847mm@0.8 ~ 20m，絕對(duì)坐標(biāo)誤差最小值為 3.276mm@0.8~20m。

圖6 軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果圖

在相同的驗(yàn)證條件下，同樣使用物理仿真隨機(jī)生成的 10 萬組偏角-位置數(shù)據(jù)，使用多項(xiàng)式回歸算法、支持向量回歸算法、決策樹算法和隨機(jī)森林回歸算法，與多分支結(jié)構(gòu)的位置解算回歸網(wǎng)絡(luò)算法在 0.8~20m 的導(dǎo)引范圍內(nèi)對(duì)定位坐標(biāo)精度進(jìn)行比較。與傳統(tǒng)回歸算法相比，多分支結(jié)構(gòu)的位置解算回歸網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)坐標(biāo)誤差均值僅為58.292mm，展現(xiàn)出更高的定位精度。這一結(jié)果表明了多分支回歸網(wǎng)絡(luò)在特征提取和非線性建模上的優(yōu)勢(shì)， 尤其在處理復(fù)雜定位任務(wù)時(shí)，表現(xiàn)出了更高的定位精度。

為了驗(yàn)證多分支網(wǎng)絡(luò)光學(xué)導(dǎo)引定位方法的位置解算精度，本研究團(tuán)隊(duì)在自然資源部北海海洋技術(shù)中心海港港池開展了海試驗(yàn)證。三條軌跡的坐標(biāo)真實(shí)值和預(yù)測(cè)值結(jié)果如圖9所示。

圖9 海試實(shí)驗(yàn)軌跡預(yù)測(cè)結(jié)果圖

通過對(duì)絕對(duì)坐標(biāo)誤差進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，得到預(yù)測(cè)軌跡點(diǎn)與采集的 GPS 軌跡點(diǎn)平均絕對(duì)坐標(biāo)誤差在 35.102mm@1 ~ 3m，而仿真實(shí)驗(yàn)的平均誤差僅為6.646mm@1~3m，與海試數(shù)據(jù)存在差距。這是由于海試誤差除了算法本身存在的誤差以外，主要是由 GPS 的測(cè)量誤差和多象限光電探測(cè)器的測(cè)量誤差造成，如表5中所示。因此，海試中的誤差積累難以避免導(dǎo)致了仿真和實(shí)驗(yàn)存在定位誤差差異。同時(shí)，綜合 GPS 和多象限光電探測(cè)器的測(cè)量誤差來看，海洋試驗(yàn)的誤差仍在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該方法在海洋環(huán)境中仍可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的精確定位。