基于Kalman滤波的测深系统研究

论文摘要

近些年来,我国海洋相关事业飞速发展,各项水文参数成为发展中不可缺少的因素,其中水下潜器所在深度的测量无论是对海军装备的研制和海洋勘探开发都具有相当大的意义。随着电子技术、传感器技术的发展,人们对水深的实时精确测量要求越来越高。轨迹测量和压力测深是水下深度测量的两种方法,分别有着各自的优缺点,同时满足水下潜器测深的独立性和隐蔽性的要求。轨迹测量是一种完全自助式导航,根据牛顿惯性定律,利用惯性元件来测量运动物体相对惯性空间的加速度,从而在完全自主的基础上得出物体运动的姿态位置信息,但测量精度受到测量时间的限制。Kalman滤波广泛应用于惯性导航技术中,是一种在计算机上很容易实现的最优实时滤波递推算法,适合处理多变量系统、时变系统和非平稳随机过程。压力测深利用水深和压力的对应关系,使用测压元件测量压力进而计算得到水深的测深方法。在静水或深水情况下压力测深有计算简便,条件宽松的优点。但是在近水面大风浪的海况中,受风浪和流速的影响,压力测深很难快速准确的得到水深数据。本文首先对国内外已有的各种水深测量方法进行介绍和比较,重点分析影响轨迹测量和水深测压的因素。其次分别提出两种测量方法并通过多组实验对测深方法进行验证。重点讨论了Kalman滤波在测深中的应用,设计了符合要求的滤波器形式和参数,研究两个测量方法间的综合,实现了过零点水深值对轨迹测深值的校对。文章的最后给出整体的系统框架,介绍了实现设计的软件结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 水深测量目的及意义
• 1.2 水深测量发展现状
• 1.3 课题背景及研究内容
• 1.4 论文结构安排
• 第2章 惯性导航原理与Kalman滤波理论
• 2.1 惯性导航
• 2.1.1 加速度、速度和位移的关系
• 2.1.2 惯性导航的优缺点
• 2.1.3 常用坐标系
• 2.1.4 捷联惯导系统
• 2.2 Kalman滤波
• 2.2.1 加速度噪声对位移测量的影响
• 2.2.2 Kalman滤波
• 2.2.3 Kalman滤波特点
• 2.2.4 离散Kalman滤波
• 2.3 本章小结
• 第3章 小振幅理论与流速对压强修正
• 3.1 水下压强
• 3.1.1 静水下压强与深度关系
• 3.1.2 波浪对水下压强的影响
• 3.2 小振幅理论
• 3.3 伯努利方程
• 3.4 潜器表面对流速的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 测深系统设计
• 4.1 系统测深方案
• 4.2 垂直加速度的计算
• 4.3 轨迹测量滤波器设计
• 4.3.1 滤波过程
• 4.3.2 滤波算法流程
• 4.4 双压力传感器测深
• 4.4.1 动压强忽略条件
• 4.4.2 双压力传感器测深
• 4.4.3 波面方程过零点时刻估计
• 4.4.4 一般水深计算公式
• 4.4.5 算法流程
• 4.5 系统测深总体设计
• 4.5.1 测深系统模块化设计
• 4.5.2 软件设计
• 4.5.3 用户界面
• 4.5.4 算法流程
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验结果分析
• 5.1 坐标转换实验与数据分析
• 5.2 平台实验与数据分析
• 5.3 压力测深实验与数据分析
• 5.3.1 实验模型参数
• 5.3.2 水槽实验与数据分析
• 5.3.3 水池实验与数据分析
• 5.4 水深校正结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢