基于旋转调制技术的微小型水下机器人导航技术研究

论文摘要

微小型水下机器人因其在成本、体积、灵活性等方面的优势,在民用和军用领域均具有广阔的应用前景。微小型水下机器人的导航系统作为其关键技术之一,越来越受到国内外的重视。捷联惯性导航系统由于其在隐蔽性和自主性方面的优势,使得其成为目前水下潜器的主要导航方式。但是,由于其本身误差随着时间增加不断增大,一般采用全球卫星导航系统信息定期对水下潜器位置信息进行校正。捷联惯性导航系统与全球卫星导航系统组成的组成导航方式成为主流的导航方式。针对水下潜器需长时间水下作业且具有较高的隐蔽性要求,提出了一种以接连惯性导航系统为核心,辅助以磁罗盘、深度计、水下潜器运动学模型组成组合导航系统。针对各个组成模块误差方程,设计了一套Kalman滤波算法,并进行了组合导航系统算法验证性试验。捷联惯性导航系统由于器件精度较低导致精度较差,提出了一种通过旋转将惯性器件常值误差调制成一个周期变化信号,通过捷联解算的积分过程将周期性误差消除的方法,以达到降低导航系统误差的目的。进行了静态的基于旋转调制技术的捷联惯性导航系统算法验证试验,试验结果表明,通过旋转调制,捷联惯性导航系统的精度相对于未经过调制可提高四倍。为后续工作提供了一种新的解决思路和实验依据。在文末,针对系统设计中存在的不足,提出了后续研究需要进行的主要方向以及可行的改进办法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 AUV 及其导航技术的发展现状
• 1.3 旋转调制技术发展现状
• 1.3.1 国外旋转调制技术发展现状
• 1.3.2 国内旋转调制技术发展现状
• 1.4 研究内容
• 第二章 AUV 导航系统方案设计及器件误差分析
• 2.1 引言
• 2.2 系统总体方案设计
• 2.3 基本坐标系的定义
• 2.4 基本器件选型
• 2.4.1 磁罗盘
• 2.4.2 深度计
• 2.4.3 惯性测量元件（IMU）
• 2.4.4 信息处理单元
• 2.5 元器件误差对于捷联惯性导航系统误差影响分析
• 2.5.1 静基座下的捷联惯性导航系统误差方程
• 2.5.2 陀螺漂移引起的系统误差
• 2.5.3 加速度计漂移引起的系统误差
• 2.6 IMU 常值误差的抑制
• 2.7 本章小结
• 第三章 组合导航系统算法设计与基于旋转的捷联惯性导航算法
• 3.1 系统算法设计思路
• 3.1.1 系统特性分析
• 3.1.2 系统总体方案设计
• 3.2 导航系统滤波器设计
• 3.2.1 Kalman 滤波原理
• 3.2.2 状态量的选取
• 3.2.3 捷联惯导系统误差方程
• 3.2.4 陀螺仪和加速度计误差方程
• 3.2.5 深度计与磁罗盘以及AUV 模型的误差方程
• 3.2.6 状态方程与量测方程的建立
• 3.3 旋转调制技术在捷联惯性导航中的应用
• 3.3.1 旋转坐标系定义
• 3.3.2 旋转状态下的IMU 误差分析
• 3.3.3 基于旋转调制的捷联系统误差分析
• 3.3.4 基于旋转调制技术的捷联惯性导航方程推导
• 3.4 本章小节
• 第四章 组合导航系统的实现与算法验证
• 4.1 硬件部分
• 4.1.1 硬件整体设计
• 4.1.2 硬件系统分析
• 4.2 软件部分
• 4.2.1 软件主要模块
• 4.2.2 算法移植
• 4.3 试验验证
• 4.3.1 验证方法设计
• 4.3.2 试验过程
• 4.3.3 试验结果
• 4.4 基于旋转调制技术的捷联惯性导航系统验证试验
• 4.4.1 试验目的
• 4.4.2 试验地点及器材
• 4.4.3 试验方案设计
• 4.4.4 试验结果
• 4.4.5 试验分析
• 4.5 本章总结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢