基于捷联惯性水下载体姿态检测系统研制

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文基于捷联式惯性的水下载体姿态检测系统研制研究生：余星指导教师：刘敬彪2012年12月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterTheresearchofunderwatercarriergesturedetectionsystembasedonstrapdowninertialCandidate:YuXingSupervisor:Prof.LiuDecember,2012杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑

2、重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复

3、印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日杭州电子科技大学硕士学位论文摘要我国海域辽阔、资源丰富，对海洋资源的开发和海底环境的探测越来越受到国家的关注和重视。水下航行器或拖曳体是作为海底地质调查、海底热液喷口探查、海洋生物环境调查及深海矿床调查的重要设备，水下导航技术是决定作业调查是否成功的主要技术环节。作为水下导航的关键技术，惯性测量单元是水下载体姿态信息检测的关键部分。本文针对惯性测量器件在水下的特殊应用

4、场合，设计了一个能耗低、空间资源占用少、准确度高、实时性能好的姿态检测系统。系统由陀螺仪、加速度计及低功耗高运算速率的核心处理器及其相关的外围电路组成下位机硬件平台，硬件平台上运行低计算负荷的姿态解算数据融合算法，该算法可以保证解算输出姿态信息的准确性及实时性；解算得到的姿态信息可以直接通过长距离物理信道传输给船载PC机，PC机端设计的上位机软件将接收到的姿态信息通过三维立体图来形象显示，工作人员可以直观掌握姿态信息，并反馈控制命令。本文完成的主要工作有：传感器与核心处理器的选型分析、姿态检测单元硬件平台设计、上下位机软件系统设计、数据融合及姿态解算算

5、法的设计与实现、系统性能测试与分析。本文的第2章至第7章对系统从器件选型、整体设计、软硬件实现到系统测试，进行了完整的描述。针对水下载体姿态检测系统的特殊应用场合，第2章从系统测量精度、稳定性等要求出发，对各类惯性传感器与核心处理器的选型进行了详细分析；第3章引入了四元数法，介绍以四元数作为姿态信息的描述方式；第4章详细阐述了如何以四元数法参与算法运算，并利用基于梯度下降的数据融合方法将陀螺仪数据与加速度计数据进行有效融合；利用四元数及欧拉角的关系将融合结果解算成欧拉角形式，用于表征姿态信息；第5章完成了对姿态检测系统硬件平台的设计，选择以STM32F

6、103C8T6作为核心处理器、以MPU6050作为惯性测量器件；针对所使用的算法，第6章对系统的上、下位机软件系统进行了设计。下位机软件系统实现传感器数据采集、数据融合、姿态解算、姿态信息上传及处理接收到的外部控制命令；上位机软件系统实现姿态信息的三维呈现使姿态信息的描述更加形象，同时通过人机交互的方式对下位机系统进行相应控制；第7章通过实验数据探究相关参数对系统算法性能的影响，并结合理论分析如何选取相关参数，以使系统性能最佳。利用6自由度转台对系统准确度进行了测试，测试结果证明本论文设计的基于捷联的水下载体姿态检测系统能够在一定时间内对载体姿态信息进

7、行全角度的实时准确跟踪，达到预期的设计目标。在论文的最后，总结了本课题完成的工作及存在的不足，对本课题有待完善的地方作了相应的分析，并展望了惯性测量技术在各个领域的应用发展前景。关键词：水下，姿态检测，捷联式惯性导航，梯度下降，数据融合I杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTChinahasavastarea,andisrichinresources.Thedevelopmentofmarineresourcesandthedetectionofunderseaenvironmentareattractingmoreandmoreourgover

8、nment’sconcernandattention.Theunderwatervehicle