摘要：近年来，无人艇分别在军、民与科研等范畴内发挥了越来越大的作用。由于无人艇具有广泛的应用价值，使其成为当今世界发展的热点，目前正在向低成本小型化的方向发展。无人艇的自动避障和控制都是需要依靠无人艇航姿监测来完成的，因此对无人艇航姿监测仪控制律的设计对促进无人艇事业的成长有着极其重大的实际意义。 

本文以某小型无人艇为研究对象，详细讨论了无人艇六自由度航行时数学模型的建立过程。然后通过对航行控制系统的结构及原理的分析，分别设计了姿态监测策略。此后，在通过对卡尔曼滤波算法的深入研究之后将其进行改进，并分别对姿态角、加速度和速度等姿态数据进行控制律的设计及仿真的研究。 本课题是以12轴传感器软硬件平台进行研究，着重分析了多轴的硬件配置和选型，并且对主程序及主要操作部件的控制程序进行深入的研究。最后利用卡尔曼滤波等手段对姿态源数据进行融合，获取高精度姿态数据，利用序列预测技术，对状态信息进行预测。通过试验结果证明本文所设计系统的可靠性及正确性。

本文借助MATLAB和simulink建立起小型无人艇的仿真模型，并完成了对无人艇的姿态角、、航向、位置、误差的验证。由扩展卡尔曼滤波算法进行序列预测。通过实物验证最终本文设计的无人艇航姿监测的可行性。

关键词：无人艇；坐标系转换；姿态监测；扩展卡尔曼滤波

 

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论-1

1.1 研究背景-1

1.2 航姿监测感知的国内外研究现状-1

1.3 研究的目的及意义-4

1.4 论文研究内容及主要工作-5

第二章 航姿监测的理论基础-6

2.1坐标系-6

2.1.1   坐标系的定义-6

2.1.2   坐标变换-6

2.2 无人艇的数学模型-8

2.2.1 含未知干扰下六自由度动力学模型-8

2.2.2 附加质量系统惯性建模-9

2.2.3 阻尼矩阵-9

2.2.4 重力与浮力建模-9

2.2.5 推进器控制力建模-10

2.2.6 简化后的无人艇六自由度模型-10

2.3 航姿监测的内容-10

2.3.1 船舶姿态角-10

2.3.2 船舶位置-10

2.3.3 船舶速度-10

第三章 系统总体方案-12

3.1 总体方案-12

3.2 无人艇主控系统-12

3.3 姿态监测模块-12

3.4 气压温度检测模块-13

3.5 磁阻模块-13

3. 6显示模块-13

3.7 电源模块-13

3.8 数据传输模块-13

第四章 系统硬件介绍-14

4.1 单片机STM32F103C8T6-14

4.2 12轴传感器-15

4.3 磁阻模块-16

4.4 BMP180-16

4.5 GPS模块-17

4.6 OLED显示模块-18

4.7 GPRS-18

4.8 驱动电路-19

第五章  软件部分-22

5.1 系统软件方案设计-22

5.1.1 单片机STM32F103-23

5.1.2 12轴传感器-24

5.1.3 GPS模块-25

5.2 人机交互软件-26

5.2.1上位机的整体框架-26

5.2.2 串口流程-27

5.2.3 数据解析程序-29

5.3 人机交互界面-30

第六章 硬件仿真与调试-32

6.1 扩展卡尔曼滤波算法-32

6.2 仿真实例-34

第七章  总结与展望-38

7.1 总结-38

7.2 展望-38

7.3 经济性、安全性、社会和环境影响的分析-39

7.3.1 经济性分析-39

7.3.2 安全性分析-39

7.3.3 社会和环境影响分析-39

参考文献-40

致   谢-42

附   录-43