基于多源信息融合的ROV导航系统设计

发布时间：2020-08-11 12:54

【摘要】：随着人类对资源需求的日益增加,丰富的海洋资源被越来越多国家所重视。作为海洋勘探与开发的重要工具,遥控式水下机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)可代替人类进行水下作业,在海底勘测、水下检修以及海洋科考等领域有着无法取代的地位。由于海洋环境复杂多样,所以ROV需要装配满足需求并且可靠性高的导航系统来为操作人员提供参考信息。随着信息融合技术的发展与成熟,采用多传感器融合的导航系统开发与研究是目前ROV导航技术发展的主要趋势。本文首先根据实际需要,搭建ROV导航系统平台,并结合实际需求对硬件系统进行改进与优化,完成了关键传感器的选型,同时详细设计导航系统的电源电路、通讯和数据接口等相关电路,完成导航系统硬件平台的搭建。其次,建立了ROV导航系统基本模型,介绍了各坐标系之间转换关系以及捷联式惯性导航系统原理,并对系统姿态更新方程进行推导。同时分析了电子罗盘、多普勒计程仪和深度计的工作原理与误差机理,并建立对应误差模型。再次对微机械惯性测量单元进行标定。首先对其误差源进行分析,并建立误差补偿模型,然后对陀螺仪、加速度计进行标定实验,得到了相关参数。针对磁力计需要进行现场标定的实际情况,本文使用了一种基于三维旋转的磁力计现场标定方案,并进行标定实验,验证方案的有效性。然后,对ROV多传感器信息融合方案进行研究。采用滤波算法对不同传感器的测量数据和惯性导航系统输出数据进行融合,从而得到更可靠的数据信息。本文采用扩展卡尔曼滤波器进行数据的融合。并对所设计方案进行理论推导与数字化仿真分析,验证所设计系统的性能。针对实际需要,基于STM32的嵌入式软件予以算法的实现。最后,对系统进行实验测试,分别进行了陆上、水池、湖泊以及海洋实验,实验结果表明所设计的系统满足需求。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U666.1
【图文】：

图 1.1 JHU-ROV 实物图表 1.1 JHU-ROV 主要传感器参数设备 型号 输出 精度 输出频率航姿参考系统Microstrain3DM-GX3-25姿态角角速率加速度± 2°0.03° /s0.08mg100Hz多普勒计程仪Teledyne RDI1200kHz速度±0.2%±1mm/s8Hz深度计 Paroscientific 深度 0.01% 15Hz ROV 导航系统基于 MPU6000 和 HMC6352 来实现姿态角与航向尔曼滤波技术，在进行姿态角结解算时，将方位角与横滚、俯仰了较好的实验效果。相对于其它解算方式，该方法更加适用于小业。

图 1.1 JHU-ROV 实物图表 1.1 JHU-ROV 主要传感器参数设备 型号 输出 精度 输出频率航姿参考系统Microstrain3DM-GX3-25姿态角角速率加速度± 2°0.03° /s0.08mg100Hz多普勒计程仪Teledyne RDI1200kHz速度±0.2%±1mm/s8Hz深度计 Paroscientific 深度 0.01% 15HzC ROV 导航系统基于 MPU6000 和 HMC6352 来实现姿态角与航向角的双卡尔曼滤波技术，在进行姿态角结解算时，将方位角与横滚、俯仰角进取得了较好的实验效果。相对于其它解算方式，该方法更加适用于小型与作业。

哈尔滨工程大学硕士学位论文美国 Phoenix 公司的 CURV21 系列 ROV 可在深达 6400 米的海洋环境中作业[14]ROV 搭载了 Watson Industries 公司所生产的 AHRS-E304 航姿参考系统，该航姿参考统使用了基于 MEMS 技术的三轴陀螺仪，三轴加速度计以及一个磁通门磁强计。AHRS-E304 系统姿态角分辨率 0.02°，姿态精度±0.25°，航向角精度±1°。角速测量范围±100°/s，分辨率 0.025°/s[15]。如图 1.3 和 1.4 分别为 CURV21 系列 ROV 和AHRS-E304 航姿参考系统。

【参考文献】

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本文编号：2789093