自主式水下机器人的导航系统设计及算法研究

论文摘要

由于传统的惯性导航系统很难满足自主式水下机器人(AUV)的精确导航、定位的要求,仅靠提高惯性传感器的性能来提高的导航、定位精度是非常有限的。本文以实际科研项目为背景,对以捷联式惯性导航系统(SINS)为核心,GPS导航系统和COMPASS为辅助导航设备的自主式水下航行器技术进行了研究,并实现了导航系统的仿真设计。主要工作有:首先分析了惯性导航系统和水下机器人的研究现状以及发展趋势。其次介绍了惯性导航系统的导航原理和基础理论,建立了AUV坐标系体系,对AUV捷联惯导系统进行了详细的力学编排。然后对捷联惯性导航系统的误差进行了详细的分析,建立了导航参数误差方程,并对捷联惯性导航系统的初始对准技术进行了讨论。最后对SINS/GPS/COMPASS组合导航进行了探讨,结合卡尔曼滤波技术,建立了组合导航系统的状态方程和观测方程。在Matlab环境下分别对捷联惯性导航系统设计和组合导航系统设计进行了仿真,仿真结果表明,SINS/GPS/COMPASS组合导航对SINS误差随时间不断加大的现象起到了较好的抑制作用,适合AUV长时间航行后浮出水面进行导航修正的情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 本课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.1 惯性导航系统的概述及研究现状
• 1.2.2 水下机器人的研究现状及发展趋势
• 1.2.3 AUV 导航系统的概述
• 1.3 本文的主要工作
• 2 捷联惯导系统的基本原理
• 2.1 捷联惯导系统的基本原理
• 2.2 常用坐标系
• 2.2.1 参数说明
• 2.2.2 常用的坐标系
• 2.3 各坐标系之间的关系
• 2.4 捷联惯导系统的姿态转换
• 2.4.1 欧拉角法
• 2.4.2 方向余弦法
• 2.4.3 四元数法
• 2.4.4 姿态更新算法比较
• 2.5 惯性传感器测量值与坐标系的关系
• 2.6 捷联惯导系统的力学编排
• 2.7 捷联惯导系统导航解算
• 2.8 本章小结
• 3 AUV 捷联惯导系统的初始对准技术及误差方程
• 3.1 惯导系统的初始对准技术
• 3.1.1 惯性导航系统初始对准的基本原理
• 3.1.2 初始对准分类
• 3.1.3 捷联惯导系统的初始对准技术
• 3.2 捷联惯导系统的误差
• 3.2.1 捷联惯导系统的误差类型:
• 3.2.2 惯性传感器误差分析
• 3.2.3 捷联惯导系统的误差方程
• 3.3 本章小结
• 4 AUV 组合导航系统设计
• 4.1 基本原理
• 4.2 SINS/GPS/COMPASS 的组合导航模式
• 4.3 离散型卡尔曼滤波的基本方法
• 4.4 INS/GPS/COMPASS 组合导航系统设计
• 4.4.1 捷联惯导系统的误差方程
• 4.4.2 组合导航系统状态方程的建立
• 4.4.3 组合导航系统观测方程的建立
• 4.4.4 组合导航系统仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的论文