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计及洋流信息的HAUV动力学模型辅助航位推算方法研究
| 论文题名： | 计及洋流信息的HAUV动力学模型辅助航位推算方法研究 |
| 关键词： | 混合驱动水下航行器;航位推算;动力学模型;洋流信息 |
| 摘要： | 混合驱动水下航行器 (Hybrid-driven Autonomous Underwater Vehicle, HAUV) 是一种新型的无人潜航器，因其航时长、航行范围大、观测分辨率高等特点，在海洋科学考察和海洋开发中占据着越来越重要的地位。具有高精度的水下导航定位能力是 HAUV 完成任务的重要保障。为了控制成本，中小型、低成本的 HAUV 不能采用高精度导航设备辅助，定位误差会随时间发散。此外，中小型 HAUV 在航行过程中，受洋流影响较大进而产生位置偏离。因此，亟需开展能够有效提高中小型、低成本 HAUV 的定位方法以及未知洋流的估计方法研究。针对上述问题，本文以天津大学自主研发的“海燕”声学 HAUV 为研究对象，提出了一种计及洋流信息的 HAUV 动力学模型辅助航位推算方法，有效提高了HAUV的水下导航精度，具体的研究内容和结果如下： （1）基于多刚体动力学和鱼雷力学理论，建立了“海燕”声学HAUV的六自由度空间动力学模型。同时，综合考虑洋流影响，获得了洋流干扰下的动力学模型。通过对比动力学模型的仿真结果与海上试验结果，验证了模型的准确性和有效性，为后续的洋流估计和航位推算研究奠定了基础。 （2）针对“海燕”声学HAUV航行深度不均匀、缺乏高精度测速传感器问题，提出了一种基于动力学模型的洋流估计方法。同时，结合岸基操控条件，引入时间影响因子，提出了一种快速洋流估计方法。结合变分模态分解 (Variational Modal Decomposition, VMD) 和Elman神经网络方法，建立了洋流速度预测模型。海上试验结果表明，此洋流估计方法能够摆脱对航行深度平均性的依赖，满足操控实时性要求，并保留了最小二乘洋流估计方法的准确度。 （3）基于传统航位推算原理和扩展卡尔曼滤波算法 (Extended Kalman Filter, EKF) ，提出了一种计及洋流信息的动力学模型辅助航位推算方法。该方法将“海燕”声学 HAUV 原低成本导航系统的输出、动力学模型的输出和洋流速度相融合，实现了对机体姿态、速度和位置的优化估计。通过海上试验数据验证，相比于纯惯性导航系统，不计及洋流干扰的动力学模型辅助航位推算方法能够将定位误差由81.33%减小到了52.67%；计及洋流信息的动力学模型辅助航位推算方法能够将定位误差进一步减小到14.61%，为中小型、低成本的HAUV水下导航提供了新思路。 |
| 作者： | 王珺 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王延辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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