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UUV多源无缝自主导航方法研究
| 论文题名： | UUV多源无缝自主导航方法研究 |
| 关键词： | 水下无人航行器;无缝自主导航;联邦卡尔曼滤波;信息分配;交互式多模型 |
| 摘要： | 水下无人航行器(UUV)作为一种智能化程度高、自主导航能力强的海洋装备在海洋资源的勘探、开发和利用中发挥着不可替代的作用。在UUV执行任务的过程中，其导航系统需要提供高精度的导航定位功能以保证其安全到达作业位置。对于单一的导航定位方法而言，由于水下环境的多样性、时变性以及科学技术的有限性，已经不能满足UUV对于导航系统精度的要求。因此充分地利用UUV搭载的导航设备，设计出一套精度高、容错性好、鲁棒性强的组合导航系统，具有十分重要的意义。本文以UUV导航系统为研究对象，针对其组合导航系统与多源信息融合算法展开研究，主要研究内容如下: 首先，简述了UUV导航系统使用的导航坐标系及其相互转换关系，并分析了本文使用的捷联惯性导航系统、多普勒测速仪、磁航向仪和地形辅助导航系统的工作原理与误差来源，建立了捷联惯性导航系统的更新模型与误差模型。 然后，研究了离散卡尔曼滤波的原理及其局限性，针对非线性系统阐述了扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波的工作原理，针对系统噪声数学模型不准确的问题研究了鲁棒自适应滤波算法，并着重介绍了Sage-Husa自适应滤波算法。 之后，针对UUV组合导航系统，分析了联邦卡尔曼滤波器的结构与算法步骤。根据UUV搭载的现有导航设备，搭建了组合导航系统的结构，并设计了联邦卡尔曼滤波组合导航系统框架，建立了多源信息融合的导航系统数学模型。研究了联邦卡尔曼滤波器的信息分配问题，介绍了三种常用的自适应信息分配方法，并进行仿真试验对比三种信息分配方法导航精度。 最后，针对水下环境变化造成的系统噪声模型改变的问题，设计了自适应交互多模型算法。算法由两部分组成，一部分针对系统的过程噪声模型不确定问题，采用了简化Sage-Husa自适应滤波方法对过程噪声协方差矩阵进行参数调整;另一部分针对系统的量测噪声变化的问题，采用交互式多模型方法，将不同模型整理成集合，在模型集合中选择相应模型或混合模型描述量测噪声，实现了系统模型的无缝切换。针对交互式多模型方法，覆盖多种模型时计算量大的问题，提出了自适应交互式多模型方法，对量测噪声估算之后在该值附近建立模型集合的方法解决该问题。最后仿真结果说明该方法可以有效的控制系统噪声模型不确定对导航精度的影响。 |
| 作者： | 赵璇 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 杜雪;候山高 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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