水面无人艇组合导航系统的研究与设计

发布时间：2017-11-01 01:34

  本文关键词：水面无人艇组合导航系统的研究与设计

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【摘要】：海洋占地球表面积的71.8%。当前,海洋资源争夺越演越烈,各国对海洋资源的重视程度与日俱增,海洋冲突亦不断升级。随着各国对海洋资源的侦查、探测、情报收集等方面作业越来越频繁,对于水面无人艇的研发也越来越受到关注。导航系统作为水面无人艇最重要的一部分,决定着水面无人艇运行的精度和有效性。捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation Systems, SINS)和全球定位系统(Global Positioning System, GPS)是近年来两种常用的导航系统,将二者组合使用,不仅可以克服各系统单独使用的缺点,还可以充分发挥各系统的优势,提高系统的精度和可靠性。本文主要研究基于SINS/GPS的水面无人艇组合导航系统。本文主要包括以下内容：(1)对导航系统所采用MIMU器件进行误差分析建模与标定。推导了加速度计、磁力计和陀螺仪的标定算法,就本系统所用MIMU并进行标定实验,通过传统标定方法和本文使用的标定方法对比实验,验证了该法的正确性。(2)研究了基于扩展卡尔曼滤波器的四元数姿态解算算法。介绍了当前各类姿态解算方法,推导了一种基于扩展卡尔曼滤波器的四元数姿态解算算法的状态方程和量测方程,采用该法对所采集MIMU输出数据进行离线半物理实验验证,验证了该法的正确性。(3)对本文所用的SINS/GPS组合导航算法仿真验证。介绍了SINS/GPS的松组合与紧组合导航算法,针对基于速度与位置的SINS/GPS松组合导航方式,推导了采用速度与位置的SINS/GPS的松组合导航系统算法,最终给出在非组合条件下与采用SINS/GPS组合的条件下的对比仿真,仿真结果表明,采用SINS/GPS组合导航的方式能够使系统精度和可靠性得到提高。(4)设计并验证了水面无人艇组合导航系统和主控系统。对所设计系统进行器件选型,设计了水面无人艇组合导航系统和主控系统电路,绘制了水面无人艇组合导航系统和主控系统PCB图,给出了组合导航系统的软件方案设计。对所设计水面无人艇组合导航系统和主控系统进行试验,试验结果验证了所设计系统的可行性。
【关键词】：SINS/GPS组合导航 水面无人艇 扩展卡尔曼滤波 姿态解算 标定
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U666.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 研究背景与意义8-9
• 1.2 水面无人艇组合导航系统研究现状9-10
• 1.2.1 水面无人艇组合导航系统国外研究现状9
• 1.2.2 水面无人艇组合导航系统国内研究现状9-10
• 1.3 论文主要工作及内容安排10-12
• 第二章 惯性导航基本原理12-30
• 2.1 引言12
• 2.2 惯性导航常用坐标系12-13
• 2.3 捷联惯导系统基本原理13-20
• 2.3.1 捷联惯性导航坐标系转换13-14
• 2.3.2 姿态更新算法14-17
• 2.3.3 基于扩展卡尔曼滤波器的四元数姿态解算算法17-20
• 2.4 MEMS器件误差分析与建模20-26
• 2.4.1 加速度计标定21-23
• 2.4.2 磁力计标定23-24
• 2.4.3 陀螺仪标定24-26
• 2.5 基于扩展卡尔曼滤波器的四元数姿态解算算法半物理实验26-29
• 2.5.1 实验环境设置26
• 2.5.2 实验结果分析26-29
• 2.6 小结29-30
• 第三章 SINS/GPS组合导航算法原理及仿真30-43
• 3.1 引言30-31
• 3.2 SINS/GPS松组合31
• 3.3 SINS/GPS紧组合31-32
• 3.4 SINS/GPS松组合仿真32-42
• 3.4.1 SINS/GPS松组合算法推导32-35
• 3.4.2 SINS/GPS松组合算法仿真35-42
• 3.5 小结42-43
• 第四章 水面无人艇组合导航系统设计43-54
• 4.1 引言43
• 4.2 系统器件选型43-46
• 4.2.1 控制芯片选型43-44
• 4.2.2 MIMU选型44-45
• 4.2.3 外围等芯片选型45-46
• 4.3 系统电路设计46-52
• 4.3.1 无人艇主控系统模块电路设计46-50
• 4.3.2 无人艇的组合导航系统模块电路设计50-52
• 4.4 组合导航系统软件方案设计52-53
• 4.5 小结53-54
• 第五章 水面无人艇组合导航系统验证54-58
• 5.1 引言54
• 5.2 无人艇组合导航系统实验54-56
• 5.3 无人艇主控模块系统实验56-57
• 5.4 小结57-58
• 第六章 总结与展望58-59
• 6.1 论文主要内容总结58
• 6.2 后续研究工作展望58-59
• 参考文献59-62
• 致谢62-63
• 硕士期间发表论文及专利情况63

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本文编号：1124692