【摘要】：AUV是目前開發(fā)海洋資源、調(diào)查海洋環(huán)境以及利用海洋空間的關(guān)鍵性裝備,而保障其高精度、高穩(wěn)定性、高隱蔽性地自主導(dǎo)航定位和執(zhí)行水下任務(wù)也成為各國(guó)的研究重點(diǎn)。SINS擁有高自主、高隱蔽、輸出參數(shù)全面等優(yōu)點(diǎn),但其定位誤差隨時(shí)間積累;LBL定位系統(tǒng)可完成水下載體的精確定位,但基陣陣元的布放、校準(zhǔn)以及回收耗時(shí)耗力;USBL定位系統(tǒng)雖避免了大量基元的布放,但引入了嚴(yán)重的測(cè)向誤差。因此利用多源信息融合來(lái)提高AUV導(dǎo)航定位精度以及可靠性的研究逐漸走入時(shí)代前沿。論文結(jié)合了LBL基陣大、精度高的優(yōu)點(diǎn)和USBL單聲源、單應(yīng)答器的配置,設(shè)計(jì)了使用單聲源和虛擬基元迭代來(lái)輔助SINS的組合導(dǎo)航定位方法,并結(jié)合其他水下輔助導(dǎo)航設(shè)備,建立了SINS/虛擬基元/DVL/MCP/深度計(jì)的組合導(dǎo)航模型,避免了LBL基元的布放以及USBL的測(cè)向操作,通過(guò)迭代方式實(shí)現(xiàn)了AUV水下實(shí)時(shí)性、高精度、高隱蔽性的導(dǎo)航定位需求。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括:第一,詳細(xì)調(diào)研了國(guó)內(nèi)外AUV設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀和各類導(dǎo)航算法的研究現(xiàn)狀。針對(duì)水下實(shí)際環(huán)境,分析了水下聲線的各種特性,尤其對(duì)多徑效應(yīng),聲線彎曲等主要問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)介紹,為提高聲學(xué)定位精度做好了前期理論準(zhǔn)備工作。同時(shí)為了后續(xù)的聲學(xué)定位能仿真出較真實(shí)的水下環(huán)境,研究了水下射線聲學(xué)理論,并使用Bellhop軟件模擬水下信道,從而得到了合理的接收信號(hào)。第二,針對(duì)水下噪聲和多徑效應(yīng)對(duì)時(shí)延差測(cè)量的影響,采用SCOT頻域加權(quán)互相關(guān)算法,降低了偽峰幅值,有效銳化了真實(shí)峰并得到了更高精度的時(shí)延差。針對(duì)水下聲速分布不均的情況,利用分層等梯度聲速跟蹤算法對(duì)聲源位置進(jìn)行校準(zhǔn),提高了校準(zhǔn)精度。這些水下聲學(xué)誤差修正技術(shù)都為之后的高精度定位奠定了良好的基礎(chǔ)。隨后概述了常規(guī)情況的LBL和USBL系統(tǒng)的導(dǎo)航原理,并針對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)中存在的優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于高斯-牛頓迭代的虛擬基元投影、基于周期移動(dòng)時(shí)間窗的VLBL等虛擬基元迭代定位技術(shù)。第三,提出了一種基于SINS/虛擬基元/DVL/MCP/深度計(jì)的組合導(dǎo)航模型,設(shè)計(jì)了基于集中卡爾曼濾波的信息融合算法,并推導(dǎo)了其狀態(tài)方程和觀測(cè)方程。最后,對(duì)基于高斯-牛頓迭代的虛擬基元投影、基于周期移動(dòng)時(shí)間窗的VLBL兩種不同的虛擬基元迭代技術(shù)輔助SINS定位的組合導(dǎo)航方式進(jìn)行了仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果表明引入虛擬基元迭代技術(shù),有效修正了SINS的位置誤差,提高了AUV水下導(dǎo)航定位精度。整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠滿足AUV水下導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性、高隱蔽性、高精度等需求。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U666
【圖文】：

圖 2-6 環(huán)境文件圖的仿真環(huán)境文件（*.env）為實(shí)測(cè)的某個(gè)湖區(qū)域的聲速分布，:1440 1450 1460 1470 1480 1490 1500 1510 15200510152025303540Sound Speed (m/s)Depth(m)

0.0068 0.00090.0105 0.0011兩幅圖和誤差對(duì)比表明，經(jīng)過(guò) SCOT 頻域加權(quán)后的互相關(guān)函數(shù)可以相關(guān)峰附近的偽峰的幅值，有效減小了多途效應(yīng)引起的多相關(guān)峰對(duì)并且該方法得出的時(shí)延差相較于傳統(tǒng)算法也更為精確。波定位系統(tǒng)仿真不能完全模擬出水下環(huán)境中各種邊界條件引起的折射反射、內(nèi)播過(guò)程中的衰減和吸收等諸多問(wèn)題，因此論文在室內(nèi)環(huán)境情況下，，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的超聲波定位系統(tǒng)進(jìn)行半物理實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)驗(yàn)證 SCO。設(shè)備包括 1 個(gè)聲源裝置、5 個(gè)聲接收裝置和 1 個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換裝置。源裝置裝置由電源模塊、主控模塊、信號(hào)源模塊、功放模塊和超高頻喇叭圖 3-5 所示：

第三章 水聲誤差修正技術(shù)研究持 220V 交流供電，支持輸出聲源 360°范圍發(fā)射，且?guī)?nèi)，聲源距接收裝置 20m 以內(nèi)時(shí)，接收裝置輸出電壓不低于 20m分室內(nèi)環(huán)境中，各方位都能夠保證接收到足夠強(qiáng)度的聲信號(hào)。持輸出、儲(chǔ)存最高頻率為 25KHz 且周期和脈寬可調(diào)的 CW 信ms 到 10s，最小步進(jìn) 500ms 可調(diào)，脈寬 20ms 到 2s，最小步進(jìn)的可調(diào)節(jié)范圍確保了實(shí)驗(yàn)對(duì)絕大部分 CW 信號(hào)的支持，為信間。持信號(hào)源的輸出監(jiān)測(cè)，確保了對(duì)聲源信號(hào)有效的監(jiān)控。裝置置由電源模塊、麥克風(fēng)、增益控制模塊、接線端子和信號(hào)調(diào)理圖 3-6 所示：

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2763839