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基于卡尔曼滤波的水下导航方法研究
| 论文题名： | 基于卡尔曼滤波的水下导航方法研究 |
| 关键词： | 水下航行器;组合导航;卡尔曼滤波;滚动时域估计;三向位置误差 |
| 摘要： | 水下航行器在勘探海洋资源中扮演着至关重要的角色，在军事和民用领域都迅速普及开来，而确保水下航行器正常、稳定运行的关键是精确的水下导航定位。由于水下环境的特殊性，航行器不能获取到GPS信号，并且单一的导航系统无法满足需求，全球研究人员正在研究组合导航技术，探索水下航行器导航定位的新途径。为了提高其性能和精度，本文针对水下无人航行器的应用背景，采用了SINS/DVL组合导航系统，并对提出的导航算法进行数字仿真和水池实验，主要研究内容包括： 介绍了导航中常见的坐标系，并说明了捷联惯性导航的工作原理，给出了姿态、速度、位置求解方程，在此基础上建立了误差模型；从多普勒效应出发，对包含单波束、双波束、四波束三种配置方式在内的DVL的工作原理进行了介绍，并建立了误差模型。 基于卡尔曼滤波理论特点，对非线性离散卡尔曼滤波中的无迹卡尔曼滤波（UKF）进行了分析。传统的UKF算法滤波精度相对较低，并且很容易发散，针对这一问题提出了一种新的自适应滤波算法（RHAUKF）。该算法基于极大似然准则构造关于系统噪声的估计模型，然后引入滚动时域估计进行优化，并采用Newton-Raphon算法对噪声统计进行极大似然估计的求解，最终获得一种自适应UKF算法。 设计了SINS/DVL组合导航系统，采用间接滤波，给出其状态方程和量测方程，建立了滤波模型。根据所建模型，用所提RHAUKF算法与其他两种算法分别对组合导航进行仿真分析，通过对比三种算法下的姿态角（航向、俯仰、横滚）误差、三向（东、北、天）速度误差和三向位置误差。结果表明，所设计的SINS/DVL组合导航系统能够实现对水下机器人的高精度导航定位；所提的RHAUKF算法能够有效地抑制未知或者不精确噪声统计带来的干扰。 最后进行了水池实验，结果验证了组合导航系统的实用性和所提滤波算法的有效性。 |
| 作者： | 赵嘉梁 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 李世中 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中北大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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