水下姿态解算的算法研究

【摘要】近年来，水下载体的姿态测量越来越受到人们的关注。而姿态解算的算法设计在整个水下姿态测量系统中起着关键的作用，也在很大程度上影响着系统的测量精度。设计适当的姿态解算算法成为了研究的重点。针对本文的研究背景，本论文提出，采用微惯性传感器对某产品水下运动过程中的角速率、加速度和磁强度信息进行测量和存储，并在计算机上对惯性测量数据进行事后解算，从而获取某产品运动过程中准确地姿态、位置等信息的方案。论文围绕上述方案，进行了如下几个方面的研究工作：（1）确定合适的事后数据解算方法。分别介绍了欧拉角法、方向余弦法、四元数法和等效旋转矢量法的解算原理和步骤。在对它们各自优缺点进行比较的基础上，重点对在实际工程中普遍采用的四元数法和等效旋转矢量法，进行了算法的仿真研究。通过分析和比较，最终选择四元数龙格-库塔算法对惯性测量数据进行姿态、位置的解算。（2）惯性测量器件的误差分析。惯性测量器件的误差在整个系统误差中占的比重很大，是研究的重点。本文在介绍了系统的微机械陀螺仪、微机械加速度计、三轴磁传感器的工作原理的基础上，分析、建立了传感器误差模型，并用Allan方差分析了陀螺仪随机漂移误差的特性。（3）水下姿态解算算法的设计。初始对准后，采用四元数的龙格-库塔法处理陀螺仪的输出以更新姿态四元数。利用加速度计和磁强计分别对地球重力场和地磁场的观测来补偿陀螺仪零偏。采用卡尔曼滤波方法对姿态四元数误差做最优估计，进而对所更新的四元数进行校正。利用微机械加速度计的输出求得系统运动的运动轨迹。（4）水下姿态解算算法的实验仿真。采集所设计水下姿态测量系统中MTI-300的校正传感器数据，对初始对准和水下姿态解算的算法进行仿真，验证算法的正确性。
【作者】李向楠；
【导师】郑宾；
【作者基本信息】中北大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】微惯性传感器；姿态解算；四元数；卡尔曼滤波；

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