سامانه ناوبری اینرسی به کمک مدل دینامیکی برای زیردریایی ریموس 100

نصرالهی, سعید; خوشه مهری, آیلار; پیامی نیا, محمدرضا

سامانه ناوبری اینرسی به کمک مدل دینامیکی برای زیردریایی ریموس 100

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

¹ مجتمع برق و کامپیوتر، دانشگاه مالک اشتر، تهران ایران

² مجتمع برق و کاتمپیوتر، دانشگاه مالک اشتر

³ مجتمع برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

استفاده از وسایل نقلیه زیرآب خودگردان برای اکتشاف و علوم اقیانوس‌شناسی در دهه گذشته موردتوجه مراکز تحقیقاتی در سراسر جهان بوده است. ناوبری اینرسی معمولاً به‌عنوان اصلی‌ترین وسیله موقعیت‌یابی برای وسایل نقلیه زیرآب مورداستفاده قرار می‌گیرد. اشکال اصلی در استفاده تنها از سامانه ناوبری اینرسی خطای رو به رشد در موقعیت‌ها و وضعیت‌های برآورد شده به دلیل خطا در خروجی واحد اندازه‌گیر اینرسی و انتگرال‌گیری از آن‌ها است. به‌طور سنتی حسگرهای خارجی مانند سامانه موقعیت‌یاب جهانی، گیرنده‌های صوتی، سرعت‌سنج داپلری و یا یک دوربین برای کمک به راه‌حل ناوبری اینرسی جهت محدود کردن خطاهای تخمین استفاده شده‌اند. این حسگرهای کمکی چندین معایب عملی دارند که اساساً مربوط به اتکا به اطلاعات خارجی است. یکی از منابع اطلاعاتی که می‌تواند بدون نیاز به سنجش خارجی اضافی در ناوبری زیردریایی کمک کند، استفاده از مدل دینامیکی آن است. مدل وسیله قادر است حالت سامانه را مطابق با ورودی‌های کنترلی و نیروهای خارجی که روی آن عمل می‌کنند، نشان دهد. در این مقاله یک سامانه ناوبری اینرسی به کمک مدل برای زیردریایی ریموس 100 بر اساس یک مدل دینامیکی غیرخطی 6 درجه آزادی ارائه‌شده است. سامانه ناوبری ارائه‌شده از دانش دینامیک وسیله از طریق یک مدل ریاضی که به‌صورت تجربی تائید شده است بهره گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که سامانه ناوبری پیشنهادی قابلیت‌های ناوبری زیرآب را برای سامانه‌های فاقد وسایل کمکی مرسوم بهبود می‌بخشد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455323.1400.17.3.5.0

عنوان مقاله [English]

A Model-Aided Inertial Navigation System for the Remus 100 AUV

نویسندگان [English]

Saeed Nasrollahi ¹
َAYLAR KHOOSHEHMEHRI ²
Mohammad Reza Payaminia ³

¹ Department of Electrical and Computer Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran

² Department of Electrical and Computer Engineering, Malek Ashtar University of Technology

³ Electrical and Computer Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

The use of autonomous underwater vehicles (AUV) for the exploration and oceanology science has been a field of interest of several research centers around the world in the last decade. The inertial navigation system (INS) has commonly been used as the principal means of localization for autonomous underwater vehicles. The main drawback of using only the inertia navigation system is the escalating error in the estimated position and attitude due to the error in the output of the inertia measurement unit and its integration. Traditionally external sensors such as: GPS, acoustic transponders, Doppler velocity logs (DVL), or cameras have been used to aid the solution of the inertial navigator by constraining the errors in the estimated positions. These external sensors have several practical disadvantages, basically related to their reliance on external information. One source of information that can assist in the localization of the vehicle, without the need for extra additional external sensing, is the vehicle’s dynamic model. The model of the vehicle is capable of representing the attitude of the system according to the control inputs and the external forces acting on it. In this work, we follow a model-aided inertial navigation system (MA-INS) for Remus 100 AUV based on a 6-DOF non-linear dynamic model. The proposed navigation system utilizes the knowledge of the device dynamics through an experimentally validated mathematical model. The results show that the proposed navigation system improves underwater navigation capabilities for the systems that lack conventional aiding equipment.

کلیدواژه‌ها [English]

Autonomous Underwater Vehicle
Nonlinear Dynamic Model
Model-Aided Inertial Navigation
Extended Kalman Filter
Data Fusion

مراجع

Hegrenæs, Ø., Hallingstad, O., Gade, K., "Towards Model-Aided Navigation of Underwater Vehicles", MIC-journal, Vol. 28, no. 4 , pp. 113–123, 2007.##
Koifman, M., Bar-Itzhack, I.Y., "Inertial Navigation System Aided by Aircraft Dynamics. IEEE Trans. Control Syst. Technol. , Vol. 7, No. 4, pp. 487–493,1999.##
Koifman, M., Merhav, S.J., "Autonomously Aided Strap down Attitude Reference System", J. Guid. Control. Dyn, Vol. 14, No. 6, pp. 1164–1172, 1991.##
Vasconcelos, J.F., Silvestre, C., Oliveira, P., Guerreiro, B., "Embedded UAV Model and LASER Aiding Techniques for Inertial Navigation Systems", Control Eng. Pract. Vol. 18, No. 3, pp. 262–278, 2010.##
Julier, S.J., Durrant-Whyte, H.F., "Horizontal Model Fusion Paradigm”, Navigation and Control Technologies for Unmanned Systems, Vol. 2738, No. 1, pp. 37–48 ,1996.##
Bryson, M., Sukkarieh, S., "Vehicle Model Aided Inertial Navigation for a UAV Using Low-Cost Sensors", Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation. pp. 1–9, Dec 2004.##
Sendobry, A., "A Model Based Navigation Architecture for Small Unmanned Aerial Vehicles", Proceedings of the European Navigation Conference, London, UK, Nov 2011.##
Fossen, T.I., "Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control", John Wiley & Sons, 2011.##
Fossen, T.I., "How to Incorporate Wind, Waves and Ocean Currents in the Marine Craft Equations of Motion", IFAC Proc. Vol. 45, pp. 126–131, Jan 2012.##
Hegrenaes, Ø, Hallingstad, O., "Model-Aided INS with Sea Current Estimation for Robust Underwater Navigation", IEEE J. Ocean. Eng, Vol.36, No.2, pp. 316–337, 2011.##
Hegrenas, O., Berglund, E., Hallingstad, O., "Model-Aided Inertial Navigation for Underwater Vehicles", IEEE International Conference on Robotics and Automation. pp. 1069–1076, May 2008.##
Lv, P.F., He, B., Guo, J., Shen, Y., Yan, T.H. and Sha, Q.X., "Underwater Navigation Methodology Based on Intelligent Velocity Model for Standard AUV", Ocean Eng., Vol.202, No.15, pp.1-13, 2020.##
Karmozdi, A., Hashemi, M., Salarieh, H., Alasty, A., "INS-DVL Navigation Improvement Using Rotational Motion Dynamic Model of AUV", IEEE Sens. J., Vol. 20, No.23, pp. 14329–14336, 2020.##
Oertel, D., "Deep-Sea Model-Aided Navigation Accuracy for Autonomous Underwater Vehicles Using Online Calibrated Dynamic Models", Doctoral dissertation, KIT-Bibliothek, 2018.##
Devices, A., "IMU ADIS164890, technical documentation/data-sheets", http//www. Analog. Com, July 2018.
Titterton, D., Weston, J.L. and Weston, J., "Strap down Inertial Navigation technology", Vol. 17, IET Press, 2004.##
Farrell, J., "Aided Navigation: GPS with High Rate Sensors”, McGraw-Hill, Inc. 2008.##
Geridönmez, F., "Simulation of Motion of an Underwater Vehicle", Master's thesis, Middle East Technical University, 2007.##
Prestero, T.T.J., "Verification of a Six-Degree of Freedom Simulation Model for the REMUS Autonomous Underwater Vehicle", Doctoral dissertation, Massachusetts institute of technology, 2001.##
Pinheiro, B.C., Moreno, U.F., de Sousa, J.T.B., Rodriguez, O.C., "Kernel-Function-Based Models for Acoustic Localization of Underwater Vehicles”, IEEE J. Ocean. Eng. Vol. 42, No.1, pp. 603–618, 2016.##
Brown, R.G., Hwang, P.Y.C., " Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering: With MATLAB Exercises”, J Wiley & Sons, 2012.##
Laguardia, A.S.M., Sahli, H., "Model Aided Inertial Navigation for AUV", Editorial Universitaria ,2015.##