模型辅助和流估计下的UUV自主导航定位方法研究

摘要

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)作为一种自主能力强、可控制性好、续航时间长的海洋装备，在海洋开发和勘探方面发挥着越来越重要的作用。高精度的导航定位系统是UUV安全作业及返航的重要保障。航位推算算法是一种UUV常用的自主导航定位方法，主要依赖于多普勒测速仪(DVL)和姿态传感器测得的航速信息以及姿态信息进行推算得到位置信息。若在UUV水下作业时，DVL发生故障或测量数据失效将会产生极大的导航定位误差，导致UUV偏航甚至丢失。为此，文本对模型辅助和流估计下的UUV自主导航定位算法进行了研究，用于提高UUV导航定位系统的鲁棒性和稳定性。具体研究内容如下:
　　首先，建立大地坐标系和UUV运动坐标系，构建坐标系之间的转换矩阵。在此基础上，建立UUV运动学以及动力学模型，并考虑到流干扰对UUV的影响，研究了流干扰下的UUV数学模型。通过仿真实验验证了所建的UUV数学模型的正确性。
　　其次，对UUV作业区域的流估计技术进行了研究。当UUV处于初始航行状态下时，根据UUV距海底的距离是否超过DVL的测距，将流估计技术分为浅海和深海两个方面进行研究。浅海环境下，分别基于UUV动力学模型和最小二乘法研究了浅海海流估计算法;深海环境下，提出了一种基于超短基线(USBL)和扩展卡尔曼算法（EKF）深海洋流估计算法，通过实验仿真验证了算法的合理性和可行性。
　　再次，基于航位推算算法，研究了UUV自主导航定位方法。分析航位推算算法的误差原因，利用UUV实际航行数据辨识DVL安装误差角和速度校正系数，对误差进行了校正。并采用改进53H算法以及EKF算法对UUV自主导航定位系统数据处理。
　　最后，结合UUV数学模型、流估计技术以及航位推算算法，提出了模型辅助和流估计下的UUV自主导航定位方法。通过对比有流干扰的UUV航行轨迹与无流干扰的UUV航行轨迹，分析流干扰对UUV导航定位的影响。并在此基础上，针对浅海和深海两种情况，对模型辅助和流估计下的UUV自主导航定位方法的有效性以及正确性进行仿真验证。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2水下导航定位技术研究

1．2．1 GPS导航及惯性导航

1．2．2地球物理导航

1．2．4模型辅助导航

1．3模型辅助导航技术国内外发展现状

1．3．1模型辅助导航技术国外发展现状

1．3．2模型辅助导航技术国内发展现状

1．4论文的主要内容及组织结构

第2章UUV数学模型的建立与分析

2．1引言

2．2坐标系统

2．2．1坐标系及运动参数的定义

2．2．2坐标系间的相互转换

2．3 UUV动力学建模

2．3．1 UUV空间运动的受力分析

2．3．2UUV动力学模型的建立

2．4流干扰模型

2．5 UUV数学模型仿真验证

2．5．1定常直航运动

2．5．2定常回转运动

2．5．3螺旋下潜运动

2．6本章小结

第3章流估计技术

3．1引言

3．2浅海环境下海流估计方法研究

3．2．1基于UUV动力学模型的海流估计方法

3．2．2基于最小二乘法的海流估计方法

3．2．3海流估计试验仿真验证

3．3．1深海洋流估计工作流程

3．3．2超短基线定位方法及可观性分析

3．3．3基于扩展卡尔曼滤波的洋流估计算法

3．3．4洋流估计方法仿真验证

3．4本章小结

第4章UUV自主导航定位方法

4．1引言

4．2航位推算方法

4．2．1地球曲率半径

4．2．2航位推算方法原理

4．2．3航位推算误差分析及校正

4．3基于航位推算的UUV自主导航定位算法设计

4．4 UUV自主导航定位系统数据处理

4．4．1数据剔点处理算法

4．4．2数据滤波算法

4．5本章小结

第5章仿真试验验证

5．2模型辅助和流估计下的UUV自主导航定位方法设计

5．3浅海环境下UUV自主导航定位方法试验验证

5．3．1试验描述

5．3．2海流对UUV导航定位的干扰分析

5．3．3近海环境下UUV自主导航定位方法仿真结果

5．4深海环境下UUV自主导航定位方法试验验证

5．4．1试验设计

5．4．2深海环境下UUV自主导航定位方法仿真结果

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢