本文關(guān)鍵詞：水下姿態(tài)解算的算法研究

  更多相關(guān)文章： 微慣性傳感器 姿態(tài)解算 四元數(shù) 卡爾曼濾波

【摘要】：近年來，水下載體的姿態(tài)測量越來越受到人們的關(guān)注。而姿態(tài)解算的算法設(shè)計(jì)在整個(gè)水下姿態(tài)測量系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，也在很大程度上影響著系統(tǒng)的測量精度。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)淖藨B(tài)解算算法成為了研究的重點(diǎn)。 針對本文的研究背景，本論文提出，，采用微慣性傳感器對某產(chǎn)品水下運(yùn)動(dòng)過程中的角速率、加速度和磁強(qiáng)度信息進(jìn)行測量和存儲(chǔ)，并在計(jì)算機(jī)上對慣性測量數(shù)據(jù)進(jìn)行事后解算，從而獲取某產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)過程中準(zhǔn)確地姿態(tài)、位置等信息的方案。論文圍繞上述方案，進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的研究工作： （1）確定合適的事后數(shù)據(jù)解算方法。分別介紹了歐拉角法、方向余弦法、四元數(shù)法和等效旋轉(zhuǎn)矢量法的解算原理和步驟。在對它們各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對在實(shí)際工程中普遍采用的四元數(shù)法和等效旋轉(zhuǎn)矢量法，進(jìn)行了算法的仿真研究。通過分析和比較，最終選擇四元數(shù)龍格-庫塔算法對慣性測量數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)、位置的解算。 （2）慣性測量器件的誤差分析。慣性測量器件的誤差在整個(gè)系統(tǒng)誤差中占的比重很大，是研究的重點(diǎn)。本文在介紹了系統(tǒng)的微機(jī)械陀螺儀、微機(jī)械加速度計(jì)、三軸磁傳感器的工作原理的基礎(chǔ)上，分析、建立了傳感器誤差模型，并用Allan方差分析了陀螺儀隨機(jī)漂移誤差的特性。 （3）水下姿態(tài)解算算法的設(shè)計(jì)。初始對準(zhǔn)后，采用四元數(shù)的龍格-庫塔法處理陀螺儀的輸出以更新姿態(tài)四元數(shù)。利用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)分別對地球重力場和地磁場的觀測來補(bǔ)償陀螺儀零偏。采用卡爾曼濾波方法對姿態(tài)四元數(shù)誤差做最優(yōu)估計(jì)，進(jìn)而對所更新的四元數(shù)進(jìn)行校正。利用微機(jī)械加速度計(jì)的輸出求得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。 （4）水下姿態(tài)解算算法的實(shí)驗(yàn)仿真。采集所設(shè)計(jì)水下姿態(tài)測量系統(tǒng)中MTI-300的校正傳感器數(shù)據(jù)，對初始對準(zhǔn)和水下姿態(tài)解算的算法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證算法的正確性。
【關(guān)鍵詞】：微慣性傳感器 姿態(tài)解算 四元數(shù) 卡爾曼濾波
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U675.7;TP212
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目錄7-10
• 1. 緒論10-14
• 1.1 課題的背景和來源10
• 1.2 課題相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 水下姿態(tài)測量的發(fā)展現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 水下運(yùn)動(dòng)軌跡測量的發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.2.3 微慣性傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀12
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容12-14
• 2. 水下姿態(tài)解算的基本理論14-33
• 2.1 水下姿態(tài)測量系統(tǒng)的構(gòu)成14-15
• 2.2 地球描述和相關(guān)參數(shù)15-16
• 2.3 常用坐標(biāo)系16-17
• 2.3.1 坐標(biāo)系定義16
• 2.3.2 坐標(biāo)系相互之間的變換16-17
• 2.4 載體姿態(tài)的不同表示方式17-20
• 2.4.1 姿態(tài)角17-18
• 2.4.2 姿態(tài)矩陣18-20
• 2.5 水下姿態(tài)解算的基本方法20-29
• 2.5.1 歐拉角法20-21
• 2.5.2 方向余弦法21-22
• 2.5.3 四元數(shù)法22-27
• 2.5.4 等效旋轉(zhuǎn)矢量法27-29
• 2.6 姿態(tài)解算基本方法仿真分析29-32
• 2.7 本章小結(jié)32-33
• 3. 慣性測量器件的誤差分析33-45
• 3.1 微機(jī)械陀螺儀的工作原理及誤差分析33-36
• 3.1.1 微機(jī)械陀螺儀的工作原理33-34
• 3.1.2 微機(jī)械陀螺儀的誤差分析34-36
• 3.2 微機(jī)械加速度計(jì)的工作原理及誤差分析36-37
• 3.2.1 微機(jī)械加速度計(jì)的工作原理36
• 3.2.2 加速度計(jì)的誤差分析36-37
• 3.3 磁強(qiáng)計(jì)的工作原理及誤差分析37-39
• 3.3.1 磁強(qiáng)計(jì)的工作原理37
• 3.3.2 磁傳感器誤差分析37-39
• 3.4 陀螺儀隨機(jī)漂移的誤差分析39-44
• 3.4.1 Allan 方差39-40
• 3.4.2 基于 Allan 方差的隨機(jī)漂移誤差的分析辦法40-42
• 3.4.3 陀螺實(shí)測數(shù)據(jù)分析42-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 4. 水下姿態(tài)解算的算法設(shè)計(jì)45-58
• 4.1 水下姿態(tài)解算算法的基本框架45-46
• 4.2 初始對準(zhǔn)技術(shù)研究46-47
• 4.3 卡爾曼濾波47-49
• 4.4 水下姿態(tài)解算的卡爾曼濾波方程推導(dǎo)49-55
• 4.4.1 狀態(tài)方程49-52
• 4.4.2 觀測方程52-55
• 4.5 速度、位置計(jì)算55-57
• 4.5.1 速度計(jì)算55-56
• 4.5.2 位置計(jì)算56-57
• 4.6 本章小結(jié)57-58
• 5. 水下姿態(tài)解算算法的實(shí)驗(yàn)仿真58-64
• 5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)58-59
• 5.2 系統(tǒng)算法的仿真分析59-63
• 5.2.1 初始對準(zhǔn)的仿真分析59-60
• 5.2.2 姿態(tài)解算算法仿真60-62
• 5.2.3 速度、位置算法仿真62-63
• 5.3 本章小結(jié)63-64
• 6. 總結(jié)與展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果70-71
• 致謝71-72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：866227