基于声纳的AUV环境感知与地形建模方法研究

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无人潜航器(AUV)是一个集感知,决策与规划,控制与执行等多功能于一体的综合系统。它融合了传感技术、人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统工程等多学科的研究成果,是目前科学技术发展最活跃的领域之一。本文重点研究了基于声纳的AUV环境感知与地形建模,以及同时定位与标图方法,实现了AUV在航行时能同时定位与标图的能力,研究内容和结果如下:1.介绍了环境感知与地形建模技术对AUV向智能化发展的重要意义;阐述了环境感知与地形建模的主要研究内容,包括国内外的发展状况、同时定位与地形建模的方法,以及不确定信息的描述和处理方法;最后分析了环境感知与地形建模以及AUV同步定位与标图的关键问题。2.围绕AUV感知系统并描述了其组成部分,分别从内部感知和外部感知两个方面对AUV的感知系统进行了描述,在此基础上建立准确的环境感知系统模型。3.研究了AUV的外部环境感知与地形建模方法,建立了声纳模型,针对多波束声纳提出改进的HIMM作为声纳数字滤波算法;基于AUV感知系统,研究了水下地形的建模方法。根据环境中离散的三维点创建数字地形模型,生成水下等深线,利用OPENGL技术完成了水下地形的三维显示。4.基于声纳的AUV SLAM算法的研究,阐述了SLAM算法的原理。针对无人潜航器的状态和观测模型是非线性的特点,讨论了扩展卡尔曼滤波原理以及SLAM算法。5.基于提出的AUV环境感知与地形建模方法,设计了水下试验方案,并完成了湖试验证;设计了一个基于SLAM算法的地形勘测案例,在仿真环境下完成了该算法的验证。这些结果表明所提出的环境感知与地形建模方法以及SLAM的算法是有效可行的。
摘要第5-6页
Abstract第6页
第1章 绪论第10-20页
    1.1 课题研究的背景和意义第10-11页
    1.2 AUV国内外研究现状第11-14页
        1.2.1 国外研究状况第12-13页
        1.2.2 国内研究状况第13-14页
    1.3 环境感知与地形建模的方法第14-16页
        1.3.1 同时定位与地图构建的方法第14-16页
        1.3.2 不确定信息的描述和处理方法第16页
    1.4 环境感知与地形建模的关键问题第16-18页
        1.4.1 数据相关第16-17页
        1.4.2 地图的创建第17-18页
        1.4.3 算法的复杂度第18页
    1.5 本文主要研究内容和组织结构第18-20页
第2章 AUV感知系统第20-29页
    2.1 引言第20页
    2.2 感知系统结构描述第20-22页
        2.2.1 AUV内部感知系统第21页
        2.2.2 AUV外部感知系统第21-22页
    2.3 环境感知系统模型第22-28页
        2.3.1 坐标系统模型第23页
        2.3.2 AUV运动模型第23-25页
        2.3.3 环境地图模型第25-26页
        2.3.4 声纳观测模型第26-27页
        2.3.5 环境特征的动态模型第27页
        2.3.6 传感器噪声模型和系统噪声模型第27-28页
    2.4 本章小节第28-29页
第3章 AUV环境感知与地形建模算法研究第29-41页
    3.1 引言第29页
    3.2 基于声纳的AUV环境感知算法研究第29-34页
        3.2.1 声纳传感器模型第29-30页
        3.2.2 运动映射直方图算法第30-33页
        3.2.3 改进的HIMM算法第33-34页
    3.3 基于声纳的地形建模算法研究第34-40页
        3.3.1 测距声纳第34-36页
        3.3.2 数字高程模型第36-38页
        3.3.3 等高线地形以及三维显示第38-40页
    3.4 本章小结第40-41页
第4章 基于声纳的AUV SLAM算法研究第41-50页
    4.1 引言第41页
    4.2 EKF SLAM算法第41-45页
        4.2.1 环境表示方法第41-42页
        4.2.2 数学模型第42-43页
        4.2.3 数据匹配第43-45页
    4.3 EKF原理与SLAM算法流程第45-49页
        4.3.1 EKF算法原理第46-47页
        4.3.2 SLAM算法过程第47-49页
    4.4 本章小结第49-50页
第5章 环境感知与地形建模方法试验验证及SLAM算法仿真第50-63页
    5.1 引言第50页
    5.2 AUV环境感知试验验证第50-56页
        5.2.1 试验系统设计第50-51页
        5.2.2 GPS定位系统第51-52页
        5.2.3 声纳系统试验第52-54页
        5.2.4 生成等高线第54-55页
        5.2.5 验证声纳信息第55-56页
    5.3 AUV地形建模试验验证第56-58页
    5.4 SLAM算法仿真实验第58-62页
        5.4.1 EKF SLAM定位仿真实验第58-60页
        5.4.2 EKF SLAM同步定位与制图实验第60-62页
    5.5 本章小结第62-63页
结论第63-65页
参考文献第65-70页
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果第70-71页
致谢第71页
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