水下姿态解算的算法研究

发布时间：2017-09-17 00:30

  本文关键词：水下姿态解算的算法研究

  更多相关文章： 微惯性传感器 姿态解算 四元数 卡尔曼滤波

【摘要】：近年来，水下载体的姿态测量越来越受到人们的关注。而姿态解算的算法设计在整个水下姿态测量系统中起着关键的作用，也在很大程度上影响着系统的测量精度。设计适当的姿态解算算法成为了研究的重点。 针对本文的研究背景，本论文提出，，采用微惯性传感器对某产品水下运动过程中的角速率、加速度和磁强度信息进行测量和存储，并在计算机上对惯性测量数据进行事后解算，从而获取某产品运动过程中准确地姿态、位置等信息的方案。论文围绕上述方案，进行了如下几个方面的研究工作： （1）确定合适的事后数据解算方法。分别介绍了欧拉角法、方向余弦法、四元数法和等效旋转矢量法的解算原理和步骤。在对它们各自优缺点进行比较的基础上，重点对在实际工程中普遍采用的四元数法和等效旋转矢量法，进行了算法的仿真研究。通过分析和比较，最终选择四元数龙格-库塔算法对惯性测量数据进行姿态、位置的解算。 （2）惯性测量器件的误差分析。惯性测量器件的误差在整个系统误差中占的比重很大，是研究的重点。本文在介绍了系统的微机械陀螺仪、微机械加速度计、三轴磁传感器的工作原理的基础上，分析、建立了传感器误差模型，并用Allan方差分析了陀螺仪随机漂移误差的特性。 （3）水下姿态解算算法的设计。初始对准后，采用四元数的龙格-库塔法处理陀螺仪的输出以更新姿态四元数。利用加速度计和磁强计分别对地球重力场和地磁场的观测来补偿陀螺仪零偏。采用卡尔曼滤波方法对姿态四元数误差做最优估计，进而对所更新的四元数进行校正。利用微机械加速度计的输出求得系统运动的运动轨迹。 （4）水下姿态解算算法的实验仿真。采集所设计水下姿态测量系统中MTI-300的校正传感器数据，对初始对准和水下姿态解算的算法进行仿真，验证算法的正确性。
【关键词】：微惯性传感器 姿态解算 四元数 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U675.7;TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-10
• 1. 绪论10-14
• 1.1 课题的背景和来源10
• 1.2 课题相关技术发展现状10-12
• 1.2.1 水下姿态测量的发展现状10-11
• 1.2.2 水下运动轨迹测量的发展现状11-12
• 1.2.3 微惯性传感器的发展现状12
• 1.3 论文主要研究内容12-14
• 2. 水下姿态解算的基本理论14-33
• 2.1 水下姿态测量系统的构成14-15
• 2.2 地球描述和相关参数15-16
• 2.3 常用坐标系16-17
• 2.3.1 坐标系定义16
• 2.3.2 坐标系相互之间的变换16-17
• 2.4 载体姿态的不同表示方式17-20
• 2.4.1 姿态角17-18
• 2.4.2 姿态矩阵18-20
• 2.5 水下姿态解算的基本方法20-29
• 2.5.1 欧拉角法20-21
• 2.5.2 方向余弦法21-22
• 2.5.3 四元数法22-27
• 2.5.4 等效旋转矢量法27-29
• 2.6 姿态解算基本方法仿真分析29-32
• 2.7 本章小结32-33
• 3. 惯性测量器件的误差分析33-45
• 3.1 微机械陀螺仪的工作原理及误差分析33-36
• 3.1.1 微机械陀螺仪的工作原理33-34
• 3.1.2 微机械陀螺仪的误差分析34-36
• 3.2 微机械加速度计的工作原理及误差分析36-37
• 3.2.1 微机械加速度计的工作原理36
• 3.2.2 加速度计的误差分析36-37
• 3.3 磁强计的工作原理及误差分析37-39
• 3.3.1 磁强计的工作原理37
• 3.3.2 磁传感器误差分析37-39
• 3.4 陀螺仪随机漂移的误差分析39-44
• 3.4.1 Allan 方差39-40
• 3.4.2 基于 Allan 方差的随机漂移误差的分析办法40-42
• 3.4.3 陀螺实测数据分析42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 4. 水下姿态解算的算法设计45-58
• 4.1 水下姿态解算算法的基本框架45-46
• 4.2 初始对准技术研究46-47
• 4.3 卡尔曼滤波47-49
• 4.4 水下姿态解算的卡尔曼滤波方程推导49-55
• 4.4.1 状态方程49-52
• 4.4.2 观测方程52-55
• 4.5 速度、位置计算55-57
• 4.5.1 速度计算55-56
• 4.5.2 位置计算56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 5. 水下姿态解算算法的实验仿真58-64
• 5.1 实验平台58-59
• 5.2 系统算法的仿真分析59-63
• 5.2.1 初始对准的仿真分析59-60
• 5.2.2 姿态解算算法仿真60-62
• 5.2.3 速度、位置算法仿真62-63
• 5.3 本章小结63-64
• 6. 总结与展望64-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果70-71
• 致谢71-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李旭辉;;MEMS发展应用现状[J];传感器与微系统;2006年05期

2 蒋庆仙;;关于MEMS惯性传感器的发展及在组合导航中的应用前景[J];测绘通报;2006年09期

3 杨拥军,李立杰,徐永青,赵彦军,梁春广,魏同立;一种新型的微机械电子隧穿加速度计[J];东南大学学报(自然科学版);2000年06期

4 李志坚;微电子机械系统(MEMS)发展展望[J];电子科技导报;1997年01期

5 张纯学;地磁导航技术及其应用[J];飞航导弹;2004年02期

6 孙江;李刚;樊浩;;精确制导技术发展现状与趋势[J];飞航导弹;2007年07期

7 程海彬;鲁浩;任宏光;;陀螺角速率输入下的姿态算法比较[J];航空兵器;2007年01期

8 顾启泰,尚捷,毛刚,刘学斌;MIMS/GPS组合导航系统设计与实验[J];航空学报;2003年03期

9 黄旭;王常虹;;磁强计和微机械陀螺／加速度计组合定姿的扩展卡尔曼滤波器设计[J];黑龙江大学自然科学学报;2005年04期

10 周江华,王峰,孙国基;多子样旋转矢量捷联姿态算法的一般结果[J];航天控制;2002年02期

本文编号：866227