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

1、我國海域遼闊、資源豐富，對海洋資源的開發(fā)和海底環(huán)境的探測越來越受到國家的關注和重視。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)查的重要設備，水下導航技術是決定作業(yè)調(diào)查是否成功的主要技術環(huán)節(jié)。作為水下導航的關鍵技術，慣性測量單元是水下載體姿態(tài)信息檢測的關鍵部分。
　　本文針對慣性測量器件在水下的特殊應用場合，設計了一個能耗低、空間資源占用少、準確度高、實時性能好的姿態(tài)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由陀螺儀、

2、加速度計及低功耗高運算速率的核心處理器及其相關的外圍電路組成下位機硬件平臺，硬件平臺上運行低計算負荷的姿態(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)信息的準確性及實時性；解算得到的姿態(tài)信息可以直接通過長距離物理信道傳輸給船載PC機，PC機端設計的上位機軟件將接收到的姿態(tài)信息通過三維立體圖來形象顯示，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)檢測單元硬件平臺設計、上

3、下位機軟件系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)融合及姿態(tài)解算算法的設計與實現(xiàn)、系統(tǒng)性能測試與分析。
　　本文的第2章至第7章對系統(tǒng)從器件選型、整體設計、軟硬件實現(xiàn)到系統(tǒng)測試，進行了完整的描述。
　　針對水下載體姿態(tài)檢測系統(tǒng)的特殊應用場合，第2章從系統(tǒng)測量精度、穩(wěn)定性等要求出發(fā)，對各類慣性傳感器與核心處理器的選型進行了詳細分析；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章詳細闡述了如何以四元數(shù)法參與算法運算，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)與加速度計數(shù)據(jù)進行有效融合；利用四元數(shù)及歐拉角的關系將融合結(jié)果解算成歐拉角形式，用于表征姿態(tài)信息；第5章完成了對姿態(tài)檢測系統(tǒng)硬件平臺的設計，選擇以STM32F103C8T6作為核心處理器、以MPU6050作為慣性測量器件；針對所使用的算法，第6章對系統(tǒng)的上、下位機軟件系統(tǒng)進行了設計。下位機軟件系統(tǒng)實現(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；上位機軟件系統(tǒng)實現(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，同時通過人機交互的方式對下位機系統(tǒng)進行相應控制；第7章通過實驗數(shù)據(jù)探究相關參數(shù)對系統(tǒng)算法性能的影響，并結(jié)合理論分析如何選取相關參數(shù)，以使系統(tǒng)性能最佳。利用6自由度轉(zhuǎn)臺對系統(tǒng)準確度進行了測試，測試結(jié)果證明本論文設計的基于捷聯(lián)的水下載體姿態(tài)檢測系統(tǒng)能夠在一定時間內(nèi)對載體姿態(tài)信息進行全角度的實時準確跟蹤，達到預期的設計目標。
　　在論文的最后，總結(jié)了本課題完成的工作及存在的不足，對本課題有待完善的地方作了相應的分