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主从式多无人艇协同定位误差分析与补偿方法
| 论文题名： | 主从式多无人艇协同定位误差分析与补偿方法 |
| 关键词： | 水面无人艇;协同定位;时间延迟;姿态估计;数据丢失;误差补偿 |
| 摘要： | 随着科技的发展，海洋的资源开发已成为各国关注的重点，而具有智能化及无人化的水面无人艇更成为当前舰船领域的研究热点。不同于传统的大型昂贵的水面舰艇，水面无人艇具有体积小、成本低、能够自主或远程操控的特点，使其能够在未知或危险水域中执行任务。水面无人艇实质是一个海上作业平台，随着海洋作业任务复杂度的增加，仅依靠单一作业平台是很难达到任务要求的，因此人们考虑利用多个平台协同作业来执行海洋任务。定位能力作为协同作业的关键一环，更是成为热门的研究方向，本文将针对多无人艇协同定位系统展开深入研究。 本文以水面无人艇的应用为背景，首先简单介绍了水面无人艇的发展概况以及各国对于协同定位方法的研究成果，并对协同定位系统中存在的时间延迟、姿态误差以及数据丢失问题进行了方法的调研。随后针对多水面无人艇协同定位系统中装备的传感器进行了特性介绍，并结合所配备的传感器，阐述了水面无人艇协同定位原理以及协同定位的实现过程。根据水面无人艇航位推算的模型，建立了单领航艇和多领航艇两种情况下的系统模型，进一步给出了基于 EKF的协同导航定位算法，并且分别对两种协同定位方法进行了仿真分析。 根据所建立的无人艇模型，理论分析了协同定位系统中的误差因素（如时钟未校准、时间延迟等）。针对数据传输以及艇间相对运动而造成的时间延迟问题，介绍了一种基于新息重建的状态估计补偿方法，通过对延迟情况下的新息进行重建，再将其补偿回状态估计值中以实现误差修正的目的；而后对低精度微机械陀螺仪的姿态角误差角较大的问题，通过四元数传播方程设计了利用小角度近似的基于 EKF的姿态估计方法以及通过模型线性化转换的基于 QKF的姿态估计方法；最后针对协同定位系统中由于通信质量导致的量测数据丢失问题，通过利用服从伯努利分布的随机参数对标准 EKF方法进行了改进，设计了基于 EKF的量测数据丢失补偿方法，然后同样利用这一服从伯努利分布的参数，通过变量以及噪声的扩充处理，对量测丢失下的协同定位模型进行重建得到新的状态空间模型，针对该扩充后的模型介绍了基于最小方差补偿方法，并在此基础上研究了适用于非线性系统的扩展最小方程滤波补偿方法。本文利用 Matlab仿真对单领航艇和多领航艇情况下的两种协同定位方法进行了验证，并分别对时间延迟、姿态误差以及量测数据丢失的补偿方法进行了有效性验证。 |
| 作者： | 王文佳 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 高伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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