基于姿态解算的水面无人艇自主导航系统研发

作     者：朱宝发 

作者单位：集美大学 

学位级别：硕士

导师姓名：俞万能;谢启栋

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：姿态解算 水面无人艇 组合导航 数据融合 自主导航系统 

摘      要：世界各国在海洋资源保护、海洋经济发展、海上安全保障等方面的竞争愈演愈烈,水面无人艇凭借其体积小、速度快、机动灵活等特点,广泛应用于各类海上作业领域。其中,水面无人艇执行各项任务时,需要为航行控制提供稳定和准确的导航参考信息,保证航行控制精度,实现水面无人艇的自主导航。捷联式惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System,SINS）和卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）均能够提供导航参考信息,而SINS存在误差累积、噪声干扰等问题,卫星信号易受到物理遮蔽物等外部环境影响,无法满足自主导航全时段运动状态感知的需求。因此,本文围绕SINS姿态解算算法和SINS/GNSS数据融合算法的改进,开展提升无人艇姿态检测精度和优化自主导航系统的整体性能的研究。同时,搭建了自主导航系统平台并进行实船验证,结果表明所设计的导航系统能够可靠运行并有效提高导航精度。主要内容如下:（1）建立水面无人艇航行姿态模型和误差干扰模型,设计适用于无人艇的姿态解算算法。以四元数解算算法为基础,采用互补滤波算法融合SINS中加速度计和陀螺仪的数据,设计适用于水面无人艇航行的自适应姿态解算算法。在仿真环境中,结合航位推算方法绘制了导航轨迹,结果表明改进的姿态解算算法能够提高SINS的稳定性和准确性。（2）在GNSS信号可用的情况下,以SINS测量数据为基础,采用卡尔曼滤波融合GNSS测量数据,对惯性传感器误差和环境干扰进行估计和补偿,设计了适用于无人艇自主导航系统的SINS/GNSS数据融合算法,通过仿真结果表明了该融合算法进一步提升了自主导航精度,为航行控制提供了更为准确的导航参考信息。（3）采用模块化设计思想,设计水面无人艇自主导航系统。导航模块中采用MEMS惯性/卫星导航模组,采集水面无人艇的姿态、速度和位置信息,并采用ARM微处理器进行信息处理。控制模块中采用DSP控制无人艇航行方向和速度,同时根据无人艇平台控制模块功能要求,设计了远程控制中心的控制界面,实现远程控制的功能。最后,通过4G通信网络将导航数据上传至My SQL数据库,实现无人艇航行数据的超视距传输。（4）在无人艇平台上安装导航传感器并搭建外围电路,并将改进的姿态解算算法和SINS/GNSS数据融合算法写入实船导航模组中,通过实船试验对自主导航系统进行验证和分析。实验表明了水面无人艇自主导航系统有效提高了航行稳定性,满足系统设计需求。