基于模糊卡尔曼的Argo浮标运动检测技术研究

论文摘要

海洋变化与异常气候状况联系紧密,随着科学技术的发展,人们已经意识到监测海洋实时变化对气候预测意义重大。其中,Argo浮标在如今的海洋环境监测体系中具有不可或缺的地位,在海洋气候预报、海洋温度诊断及海洋资源开发等方面具有重要的意义。Argo浮标的运动信息不仅是研究海洋环流流动模式的重要参数,也是保证作业有效性的重要因素。由于Argo浮标经常工作在复杂多变的海洋环境中,其水下漂流过程中的运动状态受水深、海浪、流场等因素的影响较大,因此本文旨在研制一种精度高且自适应性强的Argo浮标运动检测系统。Argo浮标的运动检测重点在于姿态角测量,随着微电子机械技术的发展,MEMS惯性传感器在姿态测量中的应用越来越广泛。但是MEMS陀螺仪存在随机漂移问题,容易造成姿态累积误差,而采用加速度计虽然能修正水平方向的姿态误差,但其姿态解算精度受运动加速度的影响,利用磁力计可以修正航向角误差,但受磁干扰影响严重,都不能获得精确且稳定的测量值。针对Argo浮标的工作环境及MEMS惯性测量器件存在的上述问题,课题展开了对基于MEMS陀螺仪、加速度计以及磁力计实现Argo浮标运动检测技术的研究。论文首先对浮标的运动特性进行了分析,借助三维线性势流理论,定性分析了不同深度洋流层及海况条件下,Argo浮标不同的运动状态,并选择四元数法实现姿态解算,以及对浮标的运动误差模型进行了研究。之后就单一传感器只能满足某一特定条件下姿态解算精度的局限性,基于多传感器姿态融合的思想,研究以姿态四元数及陀螺仪随机误差为状态量的卡尔曼滤波算法,并利用模糊推理系统通过对浮标运动状态的判断,实现噪声协方差矩阵R的在线调整,以提高系统的检测精度及自适应性。之后就运动检测系统设计展开讨论,确定了以STM32F303为微控制单元、MEMS传感器为核心的硬件平台,针对嵌入式平台对模糊卡尔曼算法加以简化,提高姿态融合的实时性,并设计用户界面实现浮标姿态的三维显示及人机交互。最后从陀螺仪误差校正、模糊卡尔曼精确度进行了算法测试,表明基于模糊卡尔曼的运动检测算法,能很好地实现陀螺仪误差补偿及修正姿态漂移问题,并扩展了系统的自适应性。并完成了户外测试,验证了运动检测系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外Argo浮标的运动检测研究现状
•     1.2.1 国内外Argo浮标的研制现状
•     1.2.2 Argo浮标运动检测的研究现状
•   1.3 课题研究内容及主要目标
•   1.4 本章小结
• 第2章 Argo浮标运动模型的研究
•   2.1 Argo浮标运动特征分析
•   2.2 Argo浮标姿态角表示方法
•     2.2.1 四元数法的实现
•     2.2.2 各表示法的相互转化
•   2.3 Argo浮标运动误差模型研究
•     2.3.1 算法误差
•     2.3.2 器件误差
•   2.4 本章小结
• 第3章 Argo浮标运动检测算法的设计
•   3.1 运动检测算法的基本原理
•   3.2 卡尔曼滤波在Argo浮标姿态融合中的实现
•     3.2.1 卡尔曼滤波法原理概述
•     3.2.2 卡尔曼滤波状态方程建立
•     3.2.3 卡尔曼滤波量测方程建立
•   3.3 模糊卡尔曼滤波的实现研究
•     3.3.1 模糊卡尔曼滤波的原理
•     3.3.2 模糊卡尔曼滤波的实现
•   3.4 本章小结
• 第4章 Argo浮标运动检测系统设计
•   4.1 系统实现框架
•     4.1.1 系统硬件框架
•     4.1.2 系统软件组成
•   4.2 系统硬件设计与实现
•     4.2.1 电源电路设计
•     4.2.2 MEMS传感器外围电路设计
•     4.2.3 串口电路实现
•     4.2.4 微控制单元
•   4.3 嵌入式系统软件
•     4.3.1 微控制器资源初始化
•     4.3.2 MEMS传感器数据采集实现
•     4.3.3 姿态融合算法实现
•     4.3.4 通信协议实现
•   4.4 用户界面程序设计
•     4.4.1 数据接收与解析
•     4.4.2 姿态角三维显示
•     4.4.3 人机交互程序
•   4.5 本章小结
• 第5章 系统测试
•   5.1 基于模糊卡尔曼的姿态融合实验设计
•   5.2 陀螺仪误差校正测试
•   5.3 模糊卡尔曼精确度测试
•   5.4 户外测试
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 许欢

导师: 章雪挺

关键词: 浮标,运动检测,卡尔曼滤波,模糊推理

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 杭州电子科技大学

分类号: TP212.9;P715.2

总页数: 72

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