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微小型观探测UUV水下组合导航技术的研究

作　者: 张宏德
导　师: 施小成
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 微小型UUV 水下导航航位推算
分类号: U674.941
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 28次
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内容摘要

微小型水下航行器越来越广泛地应用在执行各种复杂海洋环境下的地形地貌勘测以及军事侦查、反侦察等作战任务中。本文以哈尔滨工程大学学科条件建设项目为背景，针对微小型水下航行器的特点，研究制定了适合微小型水下航行器的组合导航系统方案，开展了基于SINS/DVL多传感器数据融合的组合导航技术的研究，并完成了组合导航系统的软硬件设计。论文重点研究了姿态解算算法和多传感器融合滤波方法，介绍了传感器以及捷联惯导的误差模型，最后采用航位推算方法，实现了仿真条件下微小型水下航行器的组合导航定位。根据课题需求，论文开展的主要工作如下：首先，根据项目要求，选取了导航位姿测量单元，通过Pro/ENGINEER软件对导航设备在微小型水下航行器舱体中的布局进行设计。而后建立了微小型水下航行器导航系统的参考坐标系，分析了捷联惯导的基本原理及误差模型，研究了姿态解算算法，对基于四元数的姿态解算方法进行了设计，并在Simulink下建立了姿态解算仿真模型，对解算算法进行了仿真验证；其次，论文重点研究了线性卡尔曼滤波器的滤波原理和方法，通过仿真以及实验对卡尔曼滤波器的滤波效果进行了验证。而后研究了航位推算算法以及导航传感器安装误差的补偿方法，可有效地提高微小型水下航行器在实际航行中的导航精度，并对微小型水下航行器的航位推算算法进行了仿真验证。然后基于WindRiver公司的VxWorks实时操作系统对组合导航的软件进行设计，给出了程序中主要模块的设计思路和程序流程；然后，在实验室条件下开展了组合导航系统的半实物仿真实验，在静态条件下对惯性传感器和深度计输出的数据进行分析，而后仿真了捷联惯导的算法和组合导航算法，并对仿真结果加以分析比较，仿真结果表明：采用基于SINS/DVL的组合导航方案能实现微小型水下航行器长航时的定位精度，为微小型水下航行器实际的航行提供了有效的保证；最后，针对课题中对系统设计中存在的不足，提出了需要继续深入研究的方向，提出了可行的改进方法。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 课题研究背景及意义  11
  1.2 导航系统  11-12
    1.2.1 导航的概念  11-12
    1.2.2 惯性导航系统  12
  1.3 微小型 UUV 研究现状  12-15
    1.3.1 UUV 国外研究现状  13-14
    1.3.2 UUV 国内研究现状  14-15
  1.4 组合导航系统的发展现状  15-17
    1.4.1 初始对准技术  16
    1.4.2 滤波技术  16-17
    1.4.3 多传感器信息融合技术  17
  1.5 本文主要内容  17-19
第2章微小型 UUV 导航系统设计  19-30
  2.1 总体设计思路  19-21
  2.2 组合导航位姿测量单元  21-28
    2.2.1 电子罗盘选型  21-22
    2.2.2 GPS 选型  22-23
    2.2.3 陀螺仪选型及误差模型  23-25
    2.2.4 加速度计选型及误差模型  25
    2.2.5 深度计选型  25-26
    2.2.6 多普勒测速仪选型及误差模型  26-28
  2.3 微小型 UUV 导航系统结构设计  28
  2.4 导航传感器组合方案设计  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章捷联惯导的算法研究  30-45
  3.1 UUV 组合导航坐标系与变换  30-33
    3.1.1 常用坐标系  30-31
    3.1.2 导航坐标系与 UUV 坐标系的转换  31-33
    3.1.3 导航坐标系与地球坐标系的转换  33
  3.2 捷联惯导基本原理及误差分析  33-37
    3.2.1 捷联惯导基本原理  33-34
    3.2.2 捷联惯导的位置误差  34-35
    3.2.3 捷联惯导的速度误差  35-36
    3.2.4 捷联惯导的姿态误差  36-37
  3.3 UUV 姿态更新算法  37-41
    3.3.1 欧拉角法  37-38
    3.3.2 方向余弦法  38
    3.3.3 四元数法  38-41
  3.4 UUV 姿态解算算法设计与验证  41-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章微小型 UUV 自主导航方法研究  45-57
  4.1 UUV 组合导航系统的滤波方法  45-50
    4.1.1 线性卡尔曼滤波器原理  45-48
    4.1.2 卡尔曼滤波器仿真验证  48-49
    4.1.3 卡尔曼滤波器实验验证  49
    4.1.4 SINS/DVL 组合导航卡尔曼滤波方法  49-50
  4.2 航位推算方法研究  50-53
    4.2.1 航位推算方法原理  50-52
    4.2.2 航位推算方法误差校正  52-53
  4.3 UUV 自主导航软件设计  53-56
    4.3.1 UUV 组合导航系统软件框架设计  53-54
    4.3.2 UUV 传感器数据采集模块设计  54-55
    4.3.3 UUV 航位推算模块设计  55-56
  4.4 本章小结  56-57
第5章微小型 UUV 自主导航算法验证  57-62
  5.1 传感器静态试验  57-60
    5.1.1 陀螺仪输出  57
    5.1.2 加速度计输出  57-58
    5.1.3 地磁传感器输出  58-59
    5.1.4 深度计输出  59-60
  5.2 UUV 捷联惯导算法实验  60
  5.3 UUV 组合导航仿真实验  60-61
  5.4 本章小结  61-62
结论  62-64
参考文献  64-67
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  67-68
致谢  68

微小型观探测UUV水下组合导航技术的研究

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