水下组合导航系统导航算法及航向故障诊断方法研究

电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目水下组合导航系统导航算法及航向故障诊断方法研究学科专业测试计量技术及仪器学号201121070131作者姓名吕小龙指导教师田书林教授分类号密级UDC注1学位论文水下组合导航系统导航算法及航向故障诊断方法研究（题名和副题名）吕小龙（作者姓名）指导教师姓名田书林教授电子科技大学成都（职务、职称、学位、单位名称及地址）申请学位级别硕士学科专业测试计量技术及仪器论文提交日期2014.04论文答辩日期2014.05.学位授予单位和日期电子科技大学2014年06月27日答辩委员会主席古天祥评阅人杨成林，胡学海，赵辉，王冰峰注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。DESIGNOFTHEUNDERWATERINTEGRATEDNAVIGATIONSYSTEMALGORITHMANDTHERESEARCHONFAULTDIAGNOSISMETHODOFTHECOURSEAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MeasuringandTestingTechnology&InstrumentsAuthor:LvXiaolongAdvisor:Prof.TianShulinSchool:SchoolofAutomationEngineering独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要海洋是生命的摇篮，目前世界上很多国家都对海洋资源的开发和利用越来越重视，由于经济的发展和科学研究的需要，水下机器人（AUV）在最近20多年中取得了迅速发展，这使得AUV的导航系统也有了长足的发展和进步。惯性导航系统（INS）和自主导航系统都是水下常用的导航系统。本文使用的由微机电子惯性测量单元MEMS搭建的惯性导航系统有着自主性，小体积，轻重量，低成本的优点，但是其误差随着时间的推移而累积，不能长时间单独导航。而由多普勒计程仪和电子罗盘组成的自主导航系统不存在惯导系统所存在的误差发散问题，但是由于电子罗盘测量的航向角是就地磁北极而言的并非真北，因此自主导航系统的导航效果也不是十分完美。所以本文基于惯性测量单元和多普勒计程仪对电子罗盘组成的自主导航系统的航向进行故障诊断并且基于这种航向故障诊断的方法将两个导航系统进行了组合，以达到更好的导航效果。本文首先用MATLAB软件建立了惯性导航系统和由多普勒计程仪及电子罗盘组成的自主导航系统，进行了分析比较，对电子罗盘的误差进行了标定。然后通过联邦卡尔曼滤波的方法将两个系统进行了组合。同时提出并验证了在电子罗盘出现故障或偏差较大时用惯性测量单元和多普勒计程仪对其进行故障诊断并的方法，并基于这种航向故障诊断的方法也将两个导航系统进行组合，最终完成导航任务。关键字：惯性测量单元，多普勒计程仪，电子罗盘，故障诊断，组合导航ABSTRACTIIABSTRACTTheoceanisthecradleoflife,manycountriesintheworldontheexploitationanduseofmarineresouresmoreandmoreattention,becauseoftheneedofeconomicdevelopmentandscientificresearch,underwaterrobot(AUV)hasmaderapiddevelopmentinthelast20years,navigationsystemintheenvironmentofAUVhasalsobeenconsiderabledevelopmentandprogress.Inertialnavigationsystem(INS)andconsistsoftheDopplernavigationsystemandtheelectroniccompassnavigationsystemiscommonlyusedinunderwaterrobotnavigationsystem.ThispaperusedbymicroinertialmeasurementunitMEMSplatforminertialnavigationsystemwithautonomy,smallvolume,lightweight,lowcost,buttheerrorwiththepassageoftimeandtheaccumulation,notaloneforlongtimenabigation.AutonomousnavigationsystemcomposedofDopplervelocitylogandcompassdoesnotexistinertialerrordivergenceproblemsofmissilesystem,butduetotheTCM5electroniccompassheadingisthenorthmagneticploeisnotthetruenorth,sotheautonomousnavigationsystemisnotveryeffect.SothispaperautonomousnavigationsysteminertialmeasurementunitandDopplervelocitylogonTCM5electroniccompassiscomposedofcoursebasedonthefaultdiagnosisandtwonavigationsystemsarecombined,inordertoachieveabetternabigationeffect.ThispaperestablishedtheinertialnavigationsystemandtheautonomousnavigationsystemcomposedofDopplervelocitylogandcompasswithMATLABsoftware,analyzedandcompared,basedonthemethodsoffaultorerrorisbigwithinertialmeasurementunitandtheDopplerlog,thefaultdiagnosisandappearaintheTCM5electroniccompass,andthetwonavigationsystemcombination,finallycompletenavigationtasks..Keywords：Inertialmeasurementunit,themeterDopplerinstrument,electroniccompass,faultdiagnos，integratednavigation目录III目录第一章绪论................................................11.1课题来源及研究意义........................................................................................11.2导航技术及惯性技术的发展及现状................................................................11.2.1导航技术的起源与发展............................................................................11.2.2惯性技术的发展及现状............................................................................31.3本文工作研究概述............................................................................................41.4本文结构安排....................................................................................................51.5本章小结............................................................................................................5第二章惯性导航系统仿真....................................72.1惯性导航系统常用坐标系及转换....................................................................72.1.1惯性导航系统常用坐标系........................................................................72.1.2坐标系间的转换........................................................................................82.1.3比力方程....................................................................................................92.2捷联式惯性导航系统......................................................................................102.2.1四元数法解姿态矩阵...............................................................................112.2.2载体的导航信息更新..............................................................................142.3惯性导航系统的数学模型建立及实验数据分析..........................................152.4本章小结..........................................................................................................24第三章自主导航系统仿真...................................253.1自主导航系统组成原理.....................................................