【摘要】：隨著人類對資源需求的日益增加,豐富的海洋資源被越來越多國家所重視。作為海洋勘探與開發(fā)的重要工具,遙控式水下機器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)可代替人類進行水下作業(yè),在海底勘測、水下檢修以及海洋科考等領域有著無法取代的地位。由于海洋環(huán)境復雜多樣,所以ROV需要裝配滿足需求并且可靠性高的導航系統(tǒng)來為操作人員提供參考信息。隨著信息融合技術的發(fā)展與成熟,采用多傳感器融合的導航系統(tǒng)開發(fā)與研究是目前ROV導航技術發(fā)展的主要趨勢。本文首先根據(jù)實際需要,搭建ROV導航系統(tǒng)平臺,并結合實際需求對硬件系統(tǒng)進行改進與優(yōu)化,完成了關鍵傳感器的選型,同時詳細設計導航系統(tǒng)的電源電路、通訊和數(shù)據(jù)接口等相關電路,完成導航系統(tǒng)硬件平臺的搭建。其次,建立了ROV導航系統(tǒng)基本模型,介紹了各坐標系之間轉換關系以及捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)原理,并對系統(tǒng)姿態(tài)更新方程進行推導。同時分析了電子羅盤、多普勒計程儀和深度計的工作原理與誤差機理,并建立對應誤差模型。再次對微機械慣性測量單元進行標定。首先對其誤差源進行分析,并建立誤差補償模型,然后對陀螺儀、加速度計進行標定實驗,得到了相關參數(shù)。針對磁力計需要進行現(xiàn)場標定的實際情況,本文使用了一種基于三維旋轉的磁力計現(xiàn)場標定方案,并進行標定實驗,驗證方案的有效性。然后,對ROV多傳感器信息融合方案進行研究。采用濾波算法對不同傳感器的測量數(shù)據(jù)和慣性導航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)進行融合,從而得到更可靠的數(shù)據(jù)信息。本文采用擴展卡爾曼濾波器進行數(shù)據(jù)的融合。并對所設計方案進行理論推導與數(shù)字化仿真分析,驗證所設計系統(tǒng)的性能。針對實際需要,基于STM32的嵌入式軟件予以算法的實現(xiàn)。最后,對系統(tǒng)進行實驗測試,分別進行了陸上、水池、湖泊以及海洋實驗,實驗結果表明所設計的系統(tǒng)滿足需求。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U666.1
【圖文】：

圖 1.1 JHU-ROV 實物圖表 1.1 JHU-ROV 主要傳感器參數(shù)設備 型號 輸出 精度 輸出頻率航姿參考系統(tǒng)Microstrain3DM-GX3-25姿態(tài)角角速率加速度± 2°0.03° /s0.08mg100Hz多普勒計程儀Teledyne RDI1200kHz速度±0.2%±1mm/s8Hz深度計 Paroscientific 深度 0.01% 15Hz ROV 導航系統(tǒng)基于 MPU6000 和 HMC6352 來實現(xiàn)姿態(tài)角與航向爾曼濾波技術，在進行姿態(tài)角結解算時，將方位角與橫滾、俯仰了較好的實驗效果。相對于其它解算方式，該方法更加適用于小業(yè)。

圖 1.1 JHU-ROV 實物圖表 1.1 JHU-ROV 主要傳感器參數(shù)設備 型號 輸出 精度 輸出頻率航姿參考系統(tǒng)Microstrain3DM-GX3-25姿態(tài)角角速率加速度± 2°0.03° /s0.08mg100Hz多普勒計程儀Teledyne RDI1200kHz速度±0.2%±1mm/s8Hz深度計 Paroscientific 深度 0.01% 15HzC ROV 導航系統(tǒng)基于 MPU6000 和 HMC6352 來實現(xiàn)姿態(tài)角與航向角的雙卡爾曼濾波技術，在進行姿態(tài)角結解算時，將方位角與橫滾、俯仰角進取得了較好的實驗效果。相對于其它解算方式，該方法更加適用于小型與作業(yè)。

哈爾濱工程大學碩士學位論文美國 Phoenix 公司的 CURV21 系列 ROV 可在深達 6400 米的海洋環(huán)境中作業(yè)[14]ROV 搭載了 Watson Industries 公司所生產(chǎn)的 AHRS-E304 航姿參考系統(tǒng)，該航姿參考統(tǒng)使用了基于 MEMS 技術的三軸陀螺儀，三軸加速度計以及一個磁通門磁強計。AHRS-E304 系統(tǒng)姿態(tài)角分辨率 0.02°，姿態(tài)精度±0.25°，航向角精度±1°。角速測量范圍±100°/s，分辨率 0.025°/s[15]。如圖 1.3 和 1.4 分別為 CURV21 系列 ROV 和AHRS-E304 航姿參考系統(tǒng)。

【參考文獻】

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本文編號：2789093