胡小平自主导航技术 微小型水下自主导航系统的设计与研究

微小型水下自主导航系统的设计与研究

吴浩文  

【摘要】:微小型自主水下机器人因其成本、体积、灵活性等多方面优势,在民用、军用等各领域均具有广阔的应用前景。微小型自主水下导航技术作为其关键技术之一,也成为近些年来国内外导航方面研究热点方向之一。捷联惯性导航是水下导航系统中常见的导航系统,但单独使用很难满足水下航行所需的导航精度与定位要求。

因此,主流的水下导航系统均采用不同的辅助导航系统与捷联惯导进行组合。本文以某水下机器人科研项目为背景,针对水下多传感器导航系统的关键技术进行了研究,探讨了以捷联惯性导航为主惯导系统,以磁罗盘、深度计为辅助导航系统的导航组合。

在研究了捷联惯性导航系统算法和磁罗盘磁误差补偿算法等的基础上,分析了水下组合导航系统的可观性和可观度,实现了组合滤波器设计。

本文针对水下应用的特点,提出了组合导航系统中关键器件的选型原则,在选型的基础上完成了微小型水下导航系统陆上仿真实验平台的搭建,以及捷联惯导与辅助导航系统主要功能函数、组合算法的设计,并进行了多次陆上仿真实验,获得了导航系统的初步精度,为系统的进一步开发提供了理论及实验依据。

最后,本文针对系统设计中存在的问题,提出了需要深入研究的主要方向,指出了可行的改进方法。

【关键词】:微小型 水下自主导航 捷联惯导 磁罗盘 深度计 可观性 组合导航 【学位授予单位】:上海交通大学 【学位级别】:硕士 【学位授予年份】:2009 【分类号】:TN966 【目录】: 摘要3-4ABSTRACT4-5目录5-81 绪论8-111.

1 水下自主机器人的发展现状8-91.2 水下导航系统的研究概况9-101.3 论文研究意义及所做主要工作10-112 AUV 自主导航系统总体设计方案11-162.

1 总体系统设计思路11-122.2 关键器件选型12-152.2.1 惯性测量单元12-132.2.2 磁罗盘13-142.2.3 深度计14-152.3 本章小结15-163 AUV 捷联惯性导航系统16-443.

1 AUV 捷联惯性导航技术基础16-193.1.1 捷联惯导系统16-173.1.2 AUV 捷联惯导系统常用坐标17-183.1.3 地理坐标系下的比力方程18-193.

2 姿态更新算法19-273.2.1 四元数定义203.2.2 四元数与姿态阵间的关系20-223.2.3 姿态更新计算的等效旋转矢量算法22-243.2.4 锥运动环境下旋转矢量算法的优化24-273.

3 捷联惯导系统的速度算法27-293.3.1 速度计算中的旋转效应与划桨效应分析27-283.3.2 划桨效应补偿方法28-293.4 捷联惯导系统的位置算法29-343.4.

1 位置矩阵的确定29-313.4.2 位置解算中的旋转效应和涡卷效应分析31-333.4.3 旋转效应和涡卷效应补偿算法33-343.5 捷联惯导系统的误差模型34-373.5.1 速度误差方程34-353.

5.2 位置误差方程353.5.3 姿态方程误差35-373.6 捷联惯导系统初始对准37-433.6.1 静基座粗对准38-403.6.2 静基座精对准40-433.7 本章小结43-444 AUV 捷联惯性导航辅助系统44-534.

1 磁罗盘44-504.1.1 磁罗盘航向测量原理44-454.1.2 磁罗盘误差分析454.1.3 磁罗盘误差建模及补偿45-474.1.4 磁罗盘实验设计47-504.

2 深度计50-524.2.1 深度计验证实验设计50-514.2.2 实验数据及分析51-524.3 本章小结52-535 组合算法设计及实现53-655.1 惯性导航系统状态可观性分析53-615.

1.1 状态方程与量测方程53-545.1.2 系统可观性分析54-555.1.3 特征值与特征向量判断状态可观度55-585.1.4 水下组合导航系统可观性分析58-615.2 组合导航算法设计61-645.

2.1 设计原则625.2.2 滤波器的设计62-645.3 本章小结64-656 系统实现及实验分析65-786.1 捷联惯导静基座初始对准65-696.1.1 静基座粗对准65-686.

1.2 静基座精对准68-696.2 组合导航实验69-776.2.1 捷联导航结果71-736.2.2 联邦滤波器下的组合导航结果73-766.2.3 实验结论76-776.3 本章小结77-787 总结78-807.

1 论文工作总结787.2 研究工作展望78-80参考文献80-83软件模块的函数描述及算法框图(附录1)83-91磁罗盘相关函数83-84初始对准相关函数84-85捷联算法相关函数85-89组合导航滤波器函数89-91导航系统的硬件实现(附录2)91-94系统框图91分器件介绍91-94致谢94-95攻读硕士学位期间已发表或录用的论文95-97