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偏振光传感器的无人船应用平台搭建
| 论文题名： | 偏振光传感器的无人船应用平台搭建 |
| 关键词： | 无人船导航;编队实验;偏振光传感器;扩展卡尔曼滤波 |
| 摘要： | 地球约三分之二的面积被海洋覆盖，但仅少数海域被深入探索。气候变化、环境异常、资源勘探、国家安全等问题都引发了对无人船（USV）的强烈需求。个体导航信息的准确性是无人船导航与编队的基石，而传统的惯性、地磁导航存在误差累积、易受干扰的缺点，难以在复杂的水上环境中获得精确稳定的航向、位置信息。因此，融合其他传感器信息辅助提升导航性能受到学者们的关注。偏振光传感器是一种新型定向导航传感器，已被应用于无人车和无人机，在无人船领域研究应用尚属空白。 本文为了实现偏振光传感器在无人船导航中的应用。采用扩展卡尔曼滤波技术设计了一种基于偏振光传感器、微惯性单元（MIMU）、全球定位系统（GPS）的信息融合算法，并完成了软件仿真。研究了无人船的编队策略并进行仿真。推导并简化了无人船的水平面三自由度动力学模型，得出了系统的传递函数，基于此设计了速度和位置的串级PID控制器，利用Matlab仿真得到各级最优参数，验证了算法的有效性并为硬件选型提供参考。 搭建了偏振光传感器的无人船实验平台。给出了整体设计方案，根据需求对微处理器模块、传感器模块、通讯模块和动力系统等进行选型。为应对水面波动、船体倾斜造成偏振光传感器失去对天顶点的对正性，设计了云台底座及其软件控制系统。增加了地面站系统显示和记录偏振光角度的功能。 进行了基于偏振光组合导航系统的无人船导航及编队实验。在具有磁干扰的环境下进行了偏振光传感器/MIMU/GPS组合导航系统与磁罗盘/MIMU/GPS组合导航系统的准静止与循迹对比实验。结果显示：在部分轨迹存在电磁干扰的情况下，偏振光组合导航系统的轨迹偏差为0.209m，航向角偏差为6.055°，相较磁罗盘组合导航方式分别提高了23.3%和15.7%。在传感器输出一致性实验的基础上，进行了基于偏振光组合导航系统的编队实验，结果显示：领航者与跟随者轨迹误差分别为0.425m和0.707m。 |
| 作者： | 林木音 |
| 专业： | 机械设计及理论 |
| 导师： | 褚金奎 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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