基于视觉和惯性导航的水下机器人组合定位设计

摘要

目前水下机器人的定位基本采用声呐、长短基线等声学设备，但是设备成本昂贵，信号传输易受干扰，应用接口封闭，也无法满足小范围精确定位要求。同时对于惯性导航传感器，设备简单灵活，但是传感器的精度误差会造成累积漂移误差，在较长时间内难以达到定位的要求。
　　基于上述水下机器人定位方式的分析，本课题利用低成本的MEMS惯性传感器，结合摄像头、电子罗盘等辅助定位方式，采用Kalman最优估计理论，以辅助定位修正惯性导航的漂移，从而提供一个小范围高精度的组合定位方式。
　　全文共分六章:
　　第一章介绍水下机器人的定位技术以及国内外的研究现状。在基于多种定位技术优缺点分析的基础上，提出本课题的研究意义与主要内容。
　　第二章在明确应用背景的前提下提出了水下机器人组合定位系统的架构。
　　1.惯性定位模块，分析针对水下机器人的捷联惯性导航应用;
　　2.辅助定位模块，包括基于视觉的位置组合定位和基于电子罗盘测量的姿态组合定位，分析了视觉定位算法以及电子罗盘抗干扰;
　　3.云台跟踪模块，着重分析了云台跟踪的逆运动学问题求解以及基于实验分析的云台电机控制策略。
　　第三章针对使用的惯性测量元件存在的低精度问题，着重考虑其中随机噪声的误差，利用时间序列中的自动回归方法对加速度计和陀螺仪建模和参数辨识，得到传感器输出的ARMA模型。
　　第四章基于Kalman滤波的水下机器人组合定位的融合算法，分析了姿态和位置组合定位的两种过程，建立了基于水下机器人的Kalman滤波算法中需要的系统状态方程和量测方程，以及考虑传感器不同更新频率时的时间同步解决方案。
　　第五章基于北极星号微型水下机器人，描述了系统试验的移动平台搭建、基于AVR控制器开发以及MATLAB上组合定位算法的实现过程。最后通过实验对比，验证了采用视觉、电子罗盘和惯性导航组合定位的有效性。
　　第六章对研究课题进行总结，指出其创新点的同时提出了改进与提高的方面。

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致谢

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 水下机器人的应用与发展

1．1．2 定位技术在水下机器人中的意义

1．2 国内外水下定位技术现状

1．2．1 水声定位技术

1．2．2 惯性测量元件定位

1．2．3 水下视觉定位

1．2．4 多传感器组合定位

1．3 课题研究的意义与主要内容

1．3．1 课题研究的意义

1．3．2 课题研究的主要内容

1．4 本章小结

第2章 视觉辅助的水下机器人组合定位系统研究

2．1 水下机器人组合导航的方案

2．1．1 水下定位系统工作原理

2．1．2 水下定位系统组成

2．2 基于水下机器人的惯性导航系统分析

2．2．1 加速度计在水下机器人定位上应用

2．2．2 基于水下机器人的捷联惯性导航研究

2．3 视觉定位和电子罗盘辅助定位系统研究

2．3．1 结构激光与单目摄像的视觉定位模型

2．3．2 电子罗盘电磁干扰分析

2．4 云台跟踪系统的快速性与准确性研究

2．4．1 云台电机的响应性能测试

2．4．2 自动跟踪的逆运动学求解

2．5 本章小结

第3章 基于ARMA的惯性测量输出建模

3．1 惯性元件误差特性

3．1．1 惯性元件的误差模型

3．2．1 惯导积分的误差评估

3．2 惯性测量系统的ARMA应用原理

3．2．2 ARMA模型原理

3．2．3 采用ARMA分析随机误差的过程

3．3 采用SAS软件分析惯性元件随机误差模型

3．3．1 SAS时间序列应用编程

3．3．2 惯性导航元件的随机误差建模

3．4 本章小结

第4章 多传感器组合定位系统设计

4．1 组合系统结构设计

4．1．1 多传感器数据融合结构

4．1．2 Kalman滤波基本过程

4．1．3 基于Kalman算法的惯性数据滤波

4．2 多传感器数据融合的同步问题

4．2．1 同步问题描述

4．2．2 空间同步算法

4．2．3 时间同步算法

4．3 水下机器人姿态和位置组合导航算法研究

4．3．1 传统的GPS／INS组合导航应用分析

4．3．2 基于电子罗盘与惯性导航的空间姿态组合定位

4．3．3 基于视觉与惯性导航的空间位置组合定位

4．4 本章小结

第5章 水下机器人组合定位系统研究

5．1 水下机器人机械部分描述与改进

5．1．1 北极星号水下机器人模型

5．1．2 水下机器人电子舱安装与密封

5．1．3 水下机器人移动台架

5．2 水下机器人电路通讯部分设计

5．2．1 电路控制系统功能需求分析

5．2．2 电路控制系统开发

5．2．3 电子罗盘与惯性导航元件介绍

5．3 水下机器人控制程序设计

5．3．1 下位机数据采集程序设计

5．3．2 上位机组合定位程序设计

5．4 水下机器人组合导航实验与总结

5．4．1 实验操作流程说明

5．4．2 姿态组合定位实验分析

5．4．3 位置组合定位实验分析

5．5 本章小结

第6章总结与展望

6．1 全文总结

6．2 课题展望

参考文献