船用小型姿态测量系统研究与设计

论文摘要

小型船舶的运动控制、船模及自航模试验等都需要船舶(模)的姿态参数。根据试验的具体要求,除了姿态角参数外,有时还需要横荡、纵荡和升沉等数据,且经常需要随时安装和拆卸。通用的船舶姿态测量设备大都结构复杂、造价昂贵、体积质量大,不便于装卸,无法适用于上述场合。因此,研究开发一种专门针对小型船舶运动控制及试验用的小型姿态测量系统(装置)具有积极的意义和良好的商业价值及市场前景。基于以上原因和背景,本文研究开发了一种专门针对小型船舶运动控制、船模及自航模试验等场合的、基于多传感器技术的小型船用姿态测量系统。该系统具有结构紧凑、体积小、质量轻、容易装卸等特点,能够提供多种运动参数,可满足各种控制与试验需求。本文始终坚持小型化、低成本的设计思想,采用捷联方式、多组传感器直接敏感船舶运动的总体方案,并将系统分为硬件、软件两个部分,分别完成船舶运动检测与数据处理功能。文章详细介绍了系统硬件部分的设计制作过程,包括:传感器的选择、信号调理电路设计、存储电路设计、微处理器及外围电路设计、通信接口设计、人机交互功能设计等。实测结果证明,硬件部分能够达到预定指标要求。由于本系统采用捷联方式代替了平台系统复杂的框架结构,因此需要计算机提供数学解析平台,以完成必要的姿态解算等处理。本文在比较了几种常用的姿态解算方法的基础上,为本系统选择了合适的解算方法。另外,由于捷联式系统的敏感元件直接承受船舶的动态环境,因此要求系统软件能够弥补单传感器获得数据的可信度,并在系统工作环境变化或受到较严重的冲击、振荡使系统的某些传感器失效或损坏时,仍能确保有效的实时测量。为此,本文研究了一种基于状态空间估计的软件算法。该算法不仅能够克服以往算法依赖船舶运动量统计规律的缺陷,而且能够有效地补偿传感器灵敏度、非线性特性等随温度和工作环境变化而产生的误差,同时具有不受船型、海情等条件限制的特点。针对基于低成本多传感器的三维测量系统普遍存在的装配误差问题,采用了一种简单且对设备要求不高的方法对所设计的系统进行了对齐与校准,详细叙述了该过程。最后,分析了系统产生无边界误差的原因,设计了由方位角传感器、速度传感器和互补滤波器组成的辅助系统。该系统采用一种基于模糊逻辑推理的数据融合方法,能够有效地补偿积分的误差累积。试验表明,辅助系统能够使全系统获得准确、可靠的船舶姿态信息。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于计算机视觉的船舶姿态检测系统
• 1.2.2 基于GPS技术的船舶姿态测量系统
• 1.2.3 基于磁传感器的船姿测量系统
• 1.2.4 基于惯性测量组合的船舶姿态测量系统
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 船舶姿态测量理论研究
• 2.1 船舶姿态测量中的坐标基准
• 2.1.1 地心惯性坐标系
• 2.1.2 地球坐标系
• 2.1.3 地理坐标系
• 2.1.4 船舶坐标系
• 2.2 船舶运动量的定义
• 2.3 船舶动力学基础
• 2.3.1 刚体力学
• 2.3.2 转动非惯性系
• 2.4 船舶姿态测量的理论依据
• 2.5 本章小结
• 第3章 船舶姿态测量系统硬件设计与实现
• 3.1 系统构成
• 3.2 传感器的选择
• 3.2.1 传感器的选择依据
• 3.2.2 传感器的选取
• 3.3 系统硬件设计与实现
• 3.3.1 硬件总体设计
• 3.3.2 信号调理电路
• 3.3.3 数据采集
• 3.3.4 微处理器
• 3.3.5 外部数据存储器扩展
• 3.3.6 通信模块
• 3.3.7 电源
• 3.4 硬件装置的实验验证
• 3.4.1 硬件的总体装配
• 3.4.2 硬件测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶姿态测量系统软件研究
• 4.1 姿态矩阵算法
• 4.1.1 方向余弦算法
• 4.1.2 四元数算法
• 4.1.3 欧拉角算法
• 4.1.4 算法比较分析
• 4.2 辅助软件研究
• 4.2.1 船舶运动量线性动态模型的建立
• 4.2.2 滤波算法
• 4.2.3 带模型误差系统自适应Kalman滤波算法
• 4.2.4 算法仿真与比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 校准对齐与数据融合
• 5.1 校准与对齐
• 5.1.1 传感器建模
• 5.1.2 校准与对齐
• 5.1.3 试验
• 5.2 辅助系统与数据融合
• 5.2.1 陀螺模型与无边界误差
• 5.2.2 辅助系统的研究与设计
• 5.2.3 基于模糊逻辑推理的数据融合算法
• 5.2.4 仿真与分析
• 5.3 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