水下航行器内测系统及数据处理方法研究

论文摘要

在水下航行器研制过程中，为了监测水下航行器的水下运动状态，了解其水下工作性能及存在的问题，以便于不断改进和优化设计方案，同时结合具体的工程项目，本文中开发了一套集测量、记录和控制功能于一体的水下航行器内测系统，并对其相关理论和数据处理方法进行了研究。最后通过实验对内测系统和数据处理方法进行了验证。主要的研究内容如下。 针对具体的工程项目要求，进行了内测系统方案设计，硬件平台的搭建，系统的工作原理，系统各通讯接口的设计等。 为消除测试数据中的异常值，研究了3δ准则等3种异常值处理方法；研究使用插值、拟合等方法解决了多个传感器采集数据时间不同步的问题。 采用速度／姿态角组合匹配传递初始对准模型的误差方程和IMU的安装误差方程相结合的方法组成新的滤波器模型，并引入BP神经网络算法，实现了IMU安装误差及陀螺漂移的快速有效估计，减小了IMU安装误差及陀螺漂移对惯性系统测试精度的影响。 基于四元数法和当前国内外提出的旋转矢量算法，运用卡尔曼滤波实现了实验数据最优估计，提出了一种基于卡尔曼滤波的捷联姿态算法。 最后，通过多次系统实验以及数据处理，得到了水下航行器的姿态、运动轨迹等的变化曲线，将曲线与实际实验情况进行对比分析，不仅充分说明了内测系统具有非常良好的性能，可以达到预期目标。同时也验证了本文研究的姿态算法等数据处理方法能够很好的运用于工程实践中，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 通用测试技术的发展
• 1.3 测试技术在水下航行器中的运用和发展
• 1.4 论文的主要内容及结构安排
• 第二章 内测系统组成原理
• 2.1 系统的主要硬件组成
• 2.1.1 控制计算机
• 2.1.2 惯性测量单元
• 2.1.3 计算机扩展模块
• 2.1.4 压力传感器极其调理电路
• 2.2 系统工作原理
• 2.3 系统通讯接口设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 测量数据的预处理方法研究
• 3.1 系统误差及其处理
• 3.1.1 VG5100三轴转台标定试验
• 3.1.2 VG5100静态误差的量测实验
• 3.1.3 压力传感器标定实验
• 3.2 异常值的剔除
• 3.2.1 3σ准则
• 3.2.2 Grubbs准则
• 3.2.3 卡尔曼滤波“新息”法
• 3.3 时间坐标的统一
• 3.3.1 插值方法
• 3.3.2 拟合方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 IMU安装误差及陀螺漂移估计研究
• 4.1 滤波器模型的建立
• 4.1.1 惯性系统初始对准模型研究
• 4.1.2 组合匹配滤波器模型
• 4.2 神经网络算法
• 4.2.1 人工神经网络基础
• 4.2.2 标准的BP神经网络
• 4.3 仿真程序设计和结果分析
• 4.3.1 仿真程序设计
• 4.3.2 仿真结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 捷联惯性系统姿态算法研究
• 5.1 坐标系的介绍以及相互转换
• 5.2 四元数法
• 5.2.1 四元数基本理论
• 5.2.2 四元数与姿态矩阵的关系
• 5.2.3 四元数微分法求解姿态角
• 5.3 旋转矢量算法研究
• 5.3.1 旋转矢量姿态算法
• 5.3.2 改进的旋转矢量姿态算法
• 5.4 角速率的最优估计
• 5.5 姿态算法程序设计和结果分析
• 5.5.1 姿态算法程序设计
• 5.5.2 实验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 水下航行器内测系统实验研究
• 6.1 姿态航迹解算实现
• 6.2 系统实验及结果分析
• 6.2.1 水下航行器极限下沉实验
• 6.2.2 水下航行器追踪目标实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 主要研究成果及创新点
• 7.2 需要进一步开展的工作
• 参考文献
• 发表的学术论文
• 致谢