水下機(jī)器人導(dǎo)航定位技術(shù)研究.pdf

1、水下機(jī)器人是一種在水下從事極限作業(yè)的機(jī)器人，又被稱為無人遙控潛水器。水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，水壓、海流、溫度等因素限制了人在海洋開發(fā)過程中下潛的深度，所以開發(fā)海洋的過程中，水下機(jī)器人已逐漸代替人成為重要工具。水下機(jī)器人主要分為有纜遙控潛水器和無纜遙控潛水器兩種。根據(jù)仿生技術(shù)研究的體積小、噪音低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、隱身性能好和成本低的微小型水下機(jī)器人，將會(huì)具有不可替代的普遍應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用到將來的水下戰(zhàn)爭(zhēng)、海洋的利用與開發(fā)中。潛水器的小型化和提高其觀測(cè)

2、偵查能力是無人有纜潛水器的發(fā)展趨勢(shì)，因此水下機(jī)器人的導(dǎo)航定位研究和應(yīng)用越來越受到重視。
　　本文將圍繞國(guó)內(nèi)某觀測(cè)型小型有纜水下機(jī)器人項(xiàng)目，重點(diǎn)研究應(yīng)用于海水養(yǎng)殖、水下觀測(cè)考古、防護(hù)救助等水下工程的小型有纜水下機(jī)器人(ROV)的水下定位技術(shù)。本文將重點(diǎn)研究捷聯(lián)慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)和長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)以及三者組合定位系統(tǒng)，提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能，以滿足國(guó)內(nèi)水下的養(yǎng)殖、科研、調(diào)查、捕撈、采礦等行業(yè)的需求。同時(shí)，該導(dǎo)航系統(tǒng)需要

3、滿足體積小，便攜性高，導(dǎo)航精度較高且計(jì)算簡(jiǎn)便易操作控制，時(shí)間延遲小等技術(shù)要求。
　　該組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要將對(duì)于機(jī)器人常用的水下定位系統(tǒng)，進(jìn)行深入的比較研究，并結(jié)合水下機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境、整體系統(tǒng)成本、性能指標(biāo)等要求，比對(duì)其他水下定位系統(tǒng)，確定最終使用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，輔以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（本文中選用美國(guó)的GPS系統(tǒng)）和長(zhǎng)基線水聲定位的組合系統(tǒng)相結(jié)合的水下定位方案。
　　慣性導(dǎo)航理論在經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，獲得了廣泛

4、的應(yīng)用。由于它具備自主導(dǎo)航特性，不受外界環(huán)境干擾，幾乎可以不受條件地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代以來，導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要是以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主體，其他各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)為輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。在水下的導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)比中，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航同樣因?yàn)榫雀?、穩(wěn)定性強(qiáng)、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)，受到普遍關(guān)注。GPS信號(hào)在水下衰減很快，無法獨(dú)自實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航，結(jié)合長(zhǎng)基線水聲定位技術(shù)可彌補(bǔ)自身的缺陷，實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航定位的功能。該組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)在我國(guó)最近幾年取得了比

5、較大的突破，使水下GPS導(dǎo)航定位成為了可能。該系統(tǒng)是通過水面上的浮標(biāo)做載體實(shí)現(xiàn)的，它水面以上的部分可以接受GPS定位信號(hào)，水面以下部分可以接受水下機(jī)器人發(fā)出的超聲波信號(hào)。四個(gè)按照一定方位投放的浮標(biāo)通過接收GPS信號(hào)給自己定位，通過接收水下機(jī)器人超聲波信號(hào)可以計(jì)算出水下機(jī)器人相對(duì)浮標(biāo)的位置，通過一定的換算即可得到水下機(jī)器人的實(shí)際位置。浮標(biāo)定期接收水下機(jī)器人的位置信息可對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位信息進(jìn)行修正。其他時(shí)間浮標(biāo)可進(jìn)入低功耗狀態(tài)，以節(jié)

6、省電池電量，提高續(xù)航能力。
　　為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人導(dǎo)航定位功能，搭建了一個(gè)模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過MATLAB仿真對(duì)該導(dǎo)航定位系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了全面的試驗(yàn)研究。通過卡爾曼濾波算法，采用多種數(shù)據(jù)采集儀器，對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄分析，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論:本課題設(shè)計(jì)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)能夠順利實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能，并且該方案在結(jié)構(gòu)上合理簡(jiǎn)單，易于控制，操作簡(jiǎn)單，導(dǎo)航精度較高，而且能滿足預(yù)計(jì)的功能需求，具有較高的