本文選題：慣性/地磁/衛(wèi)星組合導(dǎo)航 + 誤差建模與補償��； 參考：《東南大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,水下潛器是對海洋資源進行開發(fā)和利用的一個重要工具和手段,無論在民用上還是在軍事上都起著重要作用。水下滑翔器是為了滿足對海洋資源進行探索與開發(fā)以及對海洋環(huán)境進行監(jiān)測的需要,將傳統(tǒng)的海洋浮標技術(shù)與水下潛器技術(shù)結(jié)合而設(shè)計和研制出的一種特殊的水下潛器。水下滑翔器是一種完全自主式的智能水下潛器,按照預(yù)設(shè)航線進行滑行并完成相應(yīng)的任務(wù)。而要使滑翔器按照預(yù)先設(shè)定的航線進行滑行就需要實時的為滑翔器的姿態(tài)調(diào)節(jié)等控制系統(tǒng)提供導(dǎo)航定位信息,因此,需要一個穩(wěn)定,可靠和高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)為滑翔器提供導(dǎo)航定位信息。本文圍繞水下滑翔器的工作特點和要求以及水下導(dǎo)航環(huán)境復(fù)雜、信息源少等特點,采用水下慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航組合導(dǎo)航定位的方式為水下滑翔器提供導(dǎo)航定位信息。當滑翔器工作于水下時,采用慣性導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航組合方式進行導(dǎo)航定位；當滑翔器工作于水面上時可以采用兩種方式：一種是慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航組合方式,另一種是慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航組合方式,為了提高系統(tǒng)的容錯性在水面上采用慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航組合方式。首先,介紹了組合導(dǎo)航的各個子系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和導(dǎo)航定位原理,為系統(tǒng)的導(dǎo)航定位算法設(shè)計提供理論依據(jù)。其次,對系統(tǒng)中的傳感器進行誤差建模和標定,通過分析傳感器的誤差特性,建立相應(yīng)的誤差模型,設(shè)計相應(yīng)的誤差校正算法,最終實現(xiàn)誤差校正。系統(tǒng)中的傳感器包括：陀螺儀、加速度計和磁力計。對于陀螺儀采用了靜態(tài)八位置和速率實驗進行誤差校正,對于加速度計采用基于直接最小二乘的橢球擬合算法實現(xiàn)誤差校正,對于磁力計提出了基于總體最小二乘直接校正算法。再次,對整個系統(tǒng)的硬件進行設(shè)計,根據(jù)原理圖設(shè)計和制作PCB板并進行調(diào)試。同時,為系統(tǒng)設(shè)計了上位機軟件,為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示、采集提供有效的工具。然后,對系統(tǒng)的導(dǎo)航定位算法進行研究,針對水下滑翔器的工作特點,設(shè)計了相應(yīng)的組合導(dǎo)航定位算法。主要的組合方式包括：慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航組合,慣性導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航組合,慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航組合。針對每一種組合方式,建立數(shù)據(jù)融合模型,利用卡爾曼濾波實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。最后,進行一系列的實驗,對系統(tǒng)各部分性能進行驗證,包括對傳感器校正的實驗驗證,以及各種組合導(dǎo)航方式的仿真實驗驗證,同時,也進行了車載實驗,利用實際的數(shù)據(jù)進行實驗驗證和系統(tǒng)性能評估。總之,本文對水下滑翔器的組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)的硬件和軟件進行設(shè)計,并針對導(dǎo)航系統(tǒng)各部分算法進行研究,包括傳感器的誤差校正和系統(tǒng)的導(dǎo)航定位算法,進行了大量實驗驗證,實現(xiàn)了導(dǎo)航定位的功能。
[Abstract]:With the development of science and technology, underwater vehicle is an important tool and means for the exploitation and utilization of marine resources, which plays an important role in both civilian and military fields.Underwater glider is a special underwater submersible which is designed and developed in order to meet the needs of exploration and development of marine resources and monitoring of marine environment by combining the traditional marine buoy technology with underwater submersible technology.Underwater glider is a fully autonomous intelligent underwater submersible which glides according to the preset route and accomplishes the corresponding tasks.In order to make the glider glide according to the predetermined route, it is necessary to provide navigation and positioning information for the glider's attitude adjustment and other control systems in real time, therefore, it needs a stable,Reliable and high precision navigation and positioning system provides navigation and positioning information for glider.In this paper, the underwater inertial navigation is adopted around the working characteristics and requirements of the underwater glider, as well as the complexity of the underwater navigation environment and the lack of information sources.Satellite navigation and geomagnetic integrated navigation and positioning provide navigation and positioning information for underwater glider.When the glider works under water, it uses the combination of inertial navigation and geomagnetic navigation, and when the glider works on the surface of the water, there are two ways: one is the combination of inertial navigation and satellite navigation.The other is inertial navigation, satellite navigation and geomagnetic navigation. In order to improve the fault tolerance of the system, inertial navigation, satellite navigation and geomagnetic navigation are adopted on the water surface.Firstly, the theoretical basis and positioning principle of each subsystem of integrated navigation are introduced, which provides a theoretical basis for the design of navigation algorithm.Secondly, the sensor in the system is modeled and calibrated. By analyzing the error characteristics of the sensor, the corresponding error model is established, the corresponding error correction algorithm is designed, and the error correction is finally realized.Sensors in the system include gyroscopes, accelerometers and magnetometers.For gyroscope, static eight position and rate experiments are used to correct the error, and for accelerometer, the ellipsoid fitting algorithm based on direct least squares is used to correct the error.A direct correction algorithm based on global least squares is proposed for magnetometer.Thirdly, the hardware of the whole system is designed, and the PCB board is designed and debugged according to the schematic diagram.At the same time, the upper computer software is designed for the system, which provides an effective tool for the data display and collection of the system.Then, the navigation and positioning algorithm of the system is studied, and the corresponding integrated navigation algorithm is designed according to the working characteristics of underwater glider.The main methods include inertial navigation and satellite navigation, inertial navigation and geomagnetic navigation, inertial navigation, satellite navigation and geomagnetic navigation.A data fusion model is established for each combination, and Kalman filter is used to realize data fusion.Finally, a series of experiments are carried out to verify the performance of various parts of the system, including the experimental verification of sensor calibration and the simulation of various integrated navigation methods. At the same time, vehicle experiments are also carried out.The actual data are used for experimental verification and system performance evaluation.In a word, the hardware and software of the integrated navigation and positioning system of underwater glider are designed, and the algorithms of every part of the navigation system are studied, including the error correction of sensor and the navigation and positioning algorithm of the system.A large number of experiments have been carried out, and the function of navigation and positioning has been realized.
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U666.11

【參考文獻】

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本文編號：1757266