基于捷聯(lián)慣性的水下載體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研制.pdf

1、我國(guó)海域遼闊、資源豐富，對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)和海底環(huán)境的探測(cè)越來(lái)越受到國(guó)家的關(guān)注和重視。水下航行器或拖曳體是作為海底地質(zhì)調(diào)查、海底熱液噴口探查、海洋生物環(huán)境調(diào)查及深海礦床調(diào)查的重要設(shè)備，水下導(dǎo)航技術(shù)是決定作業(yè)調(diào)查是否成功的主要技術(shù)環(huán)節(jié)。作為水下導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，慣性測(cè)量單元是水下載體姿態(tài)信息檢測(cè)的關(guān)鍵部分。
　　本文針對(duì)慣性測(cè)量器件在水下的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)能耗低、空間資源占用少、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性能好的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由陀螺儀、

2、加速度計(jì)及低功耗高運(yùn)算速率的核心處理器及其相關(guān)的外圍電路組成下位機(jī)硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)上運(yùn)行低計(jì)算負(fù)荷的姿態(tài)解算數(shù)據(jù)融合算法，該算法可以保證解算輸出姿態(tài)信息的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性；解算得到的姿態(tài)信息可以直接通過(guò)長(zhǎng)距離物理信道傳輸給船載PC機(jī)，PC機(jī)端設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件將接收到的姿態(tài)信息通過(guò)三維立體圖來(lái)形象顯示，工作人員可以直觀掌握姿態(tài)信息，并反饋控制命令。
　　本文完成的主要工作有：傳感器與核心處理器的選型分析、姿態(tài)檢測(cè)單元硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、上

3、下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)融合及姿態(tài)解算算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)性能測(cè)試與分析。
　　本文的第2章至第7章對(duì)系統(tǒng)從器件選型、整體設(shè)計(jì)、軟硬件實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)測(cè)試，進(jìn)行了完整的描述。
　　針對(duì)水下載體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，第2章從系統(tǒng)測(cè)量精度、穩(wěn)定性等要求出發(fā)，對(duì)各類慣性傳感器與核心處理器的選型進(jìn)行了詳細(xì)分析；第3章引入了四元數(shù)法，介紹以四元數(shù)作為姿態(tài)信息的描述方式；第4章詳細(xì)闡述了如何以四元數(shù)法參與算法運(yùn)算，并利用基于梯度下降的

4、數(shù)據(jù)融合方法將陀螺儀數(shù)據(jù)與加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合；利用四元數(shù)及歐拉角的關(guān)系將融合結(jié)果解算成歐拉角形式，用于表征姿態(tài)信息；第5章完成了對(duì)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，選擇以STM32F103C8T6作為核心處理器、以MPU6050作為慣性測(cè)量器件；針對(duì)所使用的算法，第6章對(duì)系統(tǒng)的上、下位機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、姿態(tài)解算、姿態(tài)信息上傳及處理接收到的外部控制命令；上位機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)信息的三維呈現(xiàn)使

5、姿態(tài)信息的描述更加形象，同時(shí)通過(guò)人機(jī)交互的方式對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)控制；第7章通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探究相關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)算法性能的影響，并結(jié)合理論分析如何選取相關(guān)參數(shù)，以使系統(tǒng)性能最佳。利用6自由度轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)確度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明本論文設(shè)計(jì)的基于捷聯(lián)的水下載體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)能夠在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)載體姿態(tài)信息進(jìn)行全角度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確跟蹤，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　在論文的最后，總結(jié)了本課題完成的工作及存在的不足，對(duì)本課題有待完善的地方作了相應(yīng)的分