观测型水下机器人结构及其惯性导航方法研究

论文摘要

随着科学技术的发展,人类已经进入开发和利用海洋的时代。作为用在一般潜水技术不可能达到的深度进行各种综合考察和研究的水下机器人,一直受到广泛的关注与研究。水下机器人的研制属于一个庞大的系统化工程,导航定位系统便属于里面的关键技术之一,它直接影响着水下机器人的工作性能。本文结合课题背景,进行了观测型水下机器人的本体结构设计工作,并在此基础上对其导航定位技术展开研究。研究结果表明捷联惯性导航系统为一种适合此类型机器人的导航定位系统。本文共分六章:第一章概述了国内外水下机器人的发展和研究状况,介绍了常用的水下机器人导航定位系统,并分析了它们的优缺点,最后提出了本论文的研究目的、意义和主要内容。第二章结合水下机器人的设计原则以及成功设计经验,完成了观测型水下机器人的本体结构设计,提出采用分层框架式主体结构,4+1格式的推进器布局来完成机器人运动的设计方案,并细化了各个关键部件的设计研究。第三章主要针对用于水下机器人的捷联惯导系统,展开了具体的导航算法的比较研究。然后针对整个捷联惯导系统,使用Matlab语言编制了从轨迹生成、到惯导解算处理的仿真模块,验证了惯导算法的导航功能。第四章根据相应的惯导算法,结合实际的惯性器件,利用LabView软件编制了用于水下机器人惯导系统的实时处理软件。实验表明在现有的软硬件环境下,惯导系统能很好的跟踪机器人的姿态运动。第五章对导航过程中出现的误差现象进行了分析,并研究了器件误差对于导航精度的影响。针对水下机器人惯导系统存在的误差,提出了采用机器人周期性浮出水面,利用GPS信号进行卡尔曼滤波修正误差的解决方案。仿真的结果表明这种方法的确能有效地抑制惯导系统误差发散现象。第六章主要对本课题的研究工作进行总结,并对下一步工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水下机器人国内外发展和研究概况
• 1.2.1 水下机器人国外发展概况
• 1.2.2 水下机器人国内发展概况
• 1.3 水下机器人导航定位系统
• 1.4 论文研究目的和意义
• 1.5 论文研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 观测型水下机器人结构设计
• 2.1 水下机器人总体设计构思
• 2.2 水下机器人形体设计
• 2.3 推进系统设计
• 2.3.1 推进器数量确定
• 2.3.2 推进器布局设计
• 2.3.3 推进器结构设计
• 2.4 浮力筒设计
• 2.4.1 浮力筒耐压结构设计
• 2.4.2 浮力筒密封结构设计
• 2.5 浮力块选型设计
• 2.6 俯仰机构设计
• 2.7 水下机器人总体结构
• 2.8 本章小结
• 第三章 水下机器人捷联惯导技术研究
• 3.1 观测型水下机器人导航方案选择
• 3.1.1 水下机器人捷联惯导原理
• 3.2 捷联惯导系统算法
• 3.2.1 捷联惯导的姿态算法
• 3.2.2 捷联惯导的速度位置算法
• 3.3 水下机器人惯导算法比较
• 3.3.1 圆锥运动
• 3.3.2 算法仿真比较
• 3.4 水下机器人捷联惯导系统仿真
• 3.4.1 轨迹仿真原理
• 3.4.2 轨迹仿真实验
• 3.4.3 捷联惯导系统导航仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 水下机器人捷联惯导系统设计
• 4.1 捷联惯导系统惯性元件
• 4.1.1 XW-IMU 5200工作原理
• 4.1.2 XW-IMU 5200控制指令
• 4.1.3 XW-IMU 5200输出数据格式
• 4.2 系统软件设计
• 4.2.1 LabView软件
• 4.2.2 整体软件设计
• 4.2.3 软件测试结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 水下机器人捷联惯导系统误差研究
• 5.1 捷联惯导系统误差分析
• 5.1.1 姿态角误差方程
• 5.1.2 速度误差方程
• 5.1.3 位置误差方程
• 5.1.4 捷联惯导系统误差仿真
• 5.2 捷联惯导系统误差修正
• 5.2.1 系统误差修正方案
• 5.2.2 GPS/SINS组合形式
• 5.3 卡尔曼滤波器设计
• 5.3.1 卡尔曼滤波器原理
• 5.3.2 滤波器数学模型建立
• 5.3.3 滤波仿真及结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢