1.1 研究目的意义

声呐，即声音导航与测距（Sound Navigation And Ranging），是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。声纳系统主要包括干端（水上部分）和湿端（水下部分）两个部分。

现代声呐是水声学中应用十分广泛的一种技术，已经成为了和平时期人类认识、开发和利用海洋的重要手段。声呐系统的技术性能是影响声呐作战使用的内在因素，海洋环境是影响声呐使用性能的外在因素。在实际应用中，海浪引起航行平台颠簸、摇摆会导致声呐姿态的变化；海流会带来运动平台、水雷、声呐浮标等姿态的不稳定，会导致声呐基阵姿态、平台各部位应力的变化，从而导致声呐探测性能的不稳定，正是基于此问题开展研究。

本毕业设计利用惯性MEMS（微机电系统）传感器检测声呐湿端姿态。研究多传感器数据融合算法，包括姿态的初始化设置，解算出声呐湿端水下姿态姿态参数（方位角，俯仰角，横滚角），提供给声呐湿端姿态三维可视化软件，以便清晰、直观的观测和监控声呐湿端水下姿态的变化。在解算出的声呐湿端姿态参数的基础上，利用姿态补偿算法等先进技术可以实现声呐姿态的自动调整，以实现声呐工作在最佳状态，具有基础性的意义。

1.2国内外的研究现状分析

现代声呐系统是典型的多传感器系统，多个传感器获得的大量数据经过数据融合处理可以极大提高声呐系统信息的综合利用程度，提高远程信息感知能力。在姿态测量组合方面，比较成熟的有加速度计和陀螺仪组合（又称为惯组），现有的惯性姿态测量系统主要采用这种组合方式。近年来还出现了无陀螺惯性测量组合，如九加速度计组合姿态测量等。随着新材料、新原理、新工艺的出现，姿态测量组合一方面向小型化、低成本方向发展，以MEMS陀螺和MEMS加速度计为代表的姿态测量组合近年来在民用领域得到了广泛应用。另一方面，以新型高精度陀螺和加速度计（如原子陀螺、原子加速度计、静电陀螺）为代表，姿态测量组合正逐步向更高精度发展。

此外，在姿态测量之后需要进行姿态解算：在选定参考坐标系基础上，姿态解算的目的是确定动坐标系（载体坐标系）与参考坐标系的数学关联，通常采用姿态矩阵表示。为求得姿态矩阵，需要选取合理的姿态解算方法。传统的姿态解算算法有欧拉角法（又称三参数法）、方向余弦法（又称九参数法）以及四元数法（又称四参数法）。其中，四元数法不仅适用于全姿态条件下的姿态解算，而且计算量小，实时性较好，可广泛应用于工程实践中。

2. 研究的基本内容与方案

本毕业设计为了检测声呐湿端姿态，需要利用惯性MEMS（微机电系统）传感器（9轴传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计）。惯性传感器包括加速度计（或加速度传感计）和角速度传感器（陀螺）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元）。

MEMS的加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，通常由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。MEMS的陀螺仪，用来测量惯性空间在载体中的角速度或旋转角度的装置，测量角速度，具有高动态特性。对于偏航角度，由于偏航角和重力方向正交，无法用加速度计测量得到。因此还需要采用磁力计来校准测量偏航角度的陀螺仪的漂移值。

本毕业设计使用惯性MEMS传感器（9轴传感器包括3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计）检测声呐湿端的姿态。然而在实际应用中，需要把这些数据需要经过融合算法后，才能够被应用程序使用。所以要通过研究多传感器数据融合算法，包括姿态的初始化设置，解算出声呐湿端水下姿态姿态参数（方位角，俯仰角，横滚角）。

利用惯性传感器和磁力计进行声呐湿端姿态姿态参数的解算。姿态解算是利用牛顿力学定律在惯性空间下，根据实时惯性信息推算出载体在相对坐标系下的俯仰角、翻滚角和航向角的过程。利用惯性导航中的姿态更新算法对声呐湿端姿态进行实时解算。本毕业设计姿态解算时需要了解坐标系及坐标转换、姿态角的方向余弦矩阵理论、姿态角解算原理等知识。 姿态解算时选择四元数法，因为四元数法不仅适用于全姿态条件下的姿态解算，而且计算量小，实时性较好，可广泛应用于工程实践中。具体流程如图2-1所示：

图2-1 姿态解算流程图