小型水面无人船航行状态感知系统研究

发布时间：2017-08-01 06:16

  本文关键词：小型水面无人船航行状态感知系统研究

  更多相关文章： 船舶姿态 惯导系统 小波去噪 无人船

【摘要】：随着中国经济的不断发展，航运事业迅猛发展。建设畅通、高效、平安、绿色的现代化内河航运体系已上升为国家战略。由于海事机构人员编制、装备有限，安全监管巡航成本高、覆盖面小，现有的船艇装备无法在高危环境下开展巡航搜救或应急反应，制约了海事业务的发展。开展无人船的研究，有助于提升海事巡航搜救能力和效率，为“航行更安全和海洋更清洁”做出重要贡献。 获取无人船的航行状态信息是实现无人船智能航行的基础。无人船航行控制的有效性在很大程度上依赖于准确的航行状态信息。本文完成的主要工作如下： （1）本文根据无人船航行控制需求，提出了一套无人船航行状态感知系统。该系统采用高精度惯导传感器，由三轴正交的加速度计和MEMS（MicroElectro Mechanical Systems）陀螺仪分别感应x轴、y轴、z轴的加速度和角速度。该系统可实现对在航无人船舶三个轴向的加速度和俯仰角、横倾角、航向角的连续测量，也可用于速度和位置的动态计算。同时完成了系统供电单元的设计以及相关传感器的安装布设等。 （2） MEMS陀螺仪的随机噪声很大程度上影响了航行状态感知系统的标定精度。由于MEMS陀螺信号是一种非平稳随机信号，，随机噪声大，传统去噪方法已经达不到预定的效果。本文利用小波变换阈值去噪方法对MEMS陀螺数据进行去噪处理，并采用Allan方差法方法对去噪前后的测试数据进行比较分析。 （3）本文对无人船航行状态信息感知系统软件的界面、模块、功能进行了设计。从框架上说，软件分为CAN通信模块、接收回显模块、数据解析与显示模块、数据存储模块。通过这些模块实现CAN通信、状态信息实时显示、数据信息记录入库等任务。 （4）系统构建完成之后，由于安装误差，惯导传感器所在的数字坐标系与无人船所在的载体坐标系不重合。通过无人船一段时间在水中静置，来辨识两个坐标系的重合误差，将数字坐标系中的三轴姿态角转换为无人船的姿态角，并对船舶初始位置进行校准。本文对该系统进行了多次实船搭载实验，对试验数据进行处理，验证了系统的有效性。
【关键词】：船舶姿态 惯导系统 小波去噪 无人船
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U675.7
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 航行状态感知的国内外研究现状10-14
• 1.2.1 基于计算机视觉的航行状态感知10-11
• 1.2.2 GPS 航行状态感知11-12
• 1.2.3 磁传感器的航行状态感知12
• 1.2.4 基于惯导系统的航行状态感知12-14
• 1.3 研究的目的及意义14-15
• 1.4 论文研究内容及主要工作15-16
• 1.5 本章小结16-17
• 第2章 基于惯导系统的航行状态感知技术17-27
• 2.1 惯导系统概述17-18
• 2.1.1 惯导系统的组成17-18
• 2.1.2 惯导系统的特点18
• 2.2 惯导系统航行状态感知原理18-22
• 2.2.1 坐标系的定义19-20
• 2.2.2 坐标变换20-22
• 2.3 船舶航行状态表示方法22-24
• 2.3.1 船舶姿态角22-23
• 2.3.2 船舶位置23
• 2.3.3 船舶速度23-24
• 2.4 惯导系统的初始对准24-26
• 2.4.1 粗对准24-25
• 2.4.2 精对准25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 基于小波分析法的 MEMS 陀螺去噪研究27-43
• 3.1 基于 Allan 方差分析的 MEMS 陀螺随机误差特性分析27-33
• 3.1.1 MEMS 陀螺的随机噪声特性分析27-29
• 3.1.2 利用 Allan 方差分析 MEMS 陀螺的随机误差特性29-33
• 3.2 小波分析方法33-36
• 3.2.1 连续与离散小波变换33-34
• 3.2.2 多分辨分析34-36
• 3.3 MEMS 陀螺去噪试验36-42
• 3.3.1 小波函数选取36-38
• 3.3.2 分解层数选取38
• 3.3.3 阈值的选取38-39
• 3.3.4 去噪效果分析39-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 无人船航行状态感知系统设计与实现43-58
• 4.1 系统功能需求分析43-44
• 4.2 系统总体设计方案44
• 4.2.1 系统组成44
• 4.2.2 系统工作原理44
• 4.3 硬件系统设计与实现44-50
• 4.3.1 ADMA 型惯导系统45-46
• 4.3.2 CAN 通信卡46-47
• 4.3.3 电源系统47-48
• 4.3.4 系统安装48-50
• 4.4 软件系统设计与实现50-56
• 4.4.1 界面设计50-51
• 4.4.2 CAN 通信模块51-52
• 4.4.3 惯导数据解算52-54
• 4.4.4 显示模块54-55
• 4.4.5 数据存储模块55-56
• 4.5 系统测试56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第5章 系统实验58-71
• 5.1 无人船介绍58-59
• 5.2 实船搭载试验前准备工作59-61
• 5.3 系统实船搭载试验61-70
• 5.3.1 倾斜试验61-62
• 5.3.2 系泊试验62-65
• 5.3.3 航行试验65-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第6章 总结与展望71-73
• 6.1 研究内容总结71-72
• 6.2 研究工作展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研情况77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 宋丽君;秦永元;杨鹏翔;;小波阈值去噪法在MEMS陀螺仪信号降噪中的应用[J];测试技术学报;2009年01期

2 葛芦生;刘升;;基于计算机视觉实时测量系统中的若干问题探讨[J];电子测量与仪器学报;2005年02期

3 施芹;苏岩;裘安萍;朱欣华;;MEMS陀螺仪器件级真空封装技术[J];光学精密工程;2009年08期

4 刘文;张英俊;;基于捷联惯导系统的船舶姿态测量与三维可视化研究[J];大连海事大学学报;2013年01期

5 许江宁,朱涛,卞鸿巍;GPS姿态测量技术综述[J];海军工程大学学报;2003年03期

6 胡宝洁;曾峦;熊伟;赵忠文;;基于立体视觉的目标姿态测量技术[J];计算机测量与控制;2007年01期

7 王巍;;惯性技术研究现状及发展趋势[J];自动化学报;2013年06期

8 章步云,周书民;非平稳信号的快速傅里叶变换与小波分析的比较[J];通信技术;2002年07期

9 刘海涛;;MEMS陀螺仪随机误差的Allan分析[J];遥测遥控;2007年S1期

10 钱伟行;刘建业;赖际舟;张玲;;基于强跟踪滤波的旋转捷联惯导初始对准方法[J];中国惯性技术学报;2010年03期

本文编号：602860