海洋浮标动态地磁定向精度测试和评估技术研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

海洋浮标是一种在海洋中浮动的设备，通常用于收集数据和传感器信息，以

便监测海洋环境。海洋浮标采集的数据可以用于气象学、海洋学、生态学等行业，

例如监测海洋风、波、流参数。由于海洋环境的极度复杂和恶劣，海流、风浪等

因素都会影响到浮标的运动状态、位置和方向，因此需要对海洋浮标进行实时的

姿态解算，以便进行海洋观测和预报工作。

本文设计了一套高精度的姿态解算和评估系统。为了能够实时的解算姿态角，

设计了一套搭载加速度计、陀螺仪和磁力计的地磁定向平台。在实际的应用中，

地磁平台会放置在浮标里面，并且一直处于运动状态，为了能对放置在浮标里且

一直运动的地磁平台进行评估，使用非接触的方式即双目视觉来评估地磁平台在

动态环境下解算姿态角的准确性。

地磁平台的硬件主要实现三个功能：数据采集功能，实时的采集三轴加速度

计、三轴陀螺仪、三轴磁力计的数据。姿态解算功能，对采集的数据进行修正，

进行姿态解算。通讯功能，和上位机通信，将姿态角发送给上位机，和外部设备

通信，将姿态角发送给外部设备。使用双目视觉进行姿态解算时，采用三点标记

法，在待测物体上放置三个标记点，通过左右摄像机采集图像，提取标记点的边

缘信息，根据转动前后这三个标记点世界坐标的变化，可以计算出待测物体的姿

态角。在解算姿态前对采集的图像进行预处理，提高姿态解算精度。

当地磁平台和双目都可以进行姿态解算时，对地磁平台和双目视觉进行精度

的测试。经实验，地磁定向精度测试中最大误差为0.86°。双目视觉在双目摄像

机离待测物体150cm，标记点为60mm的圆时，双目视觉的定向精度测试中最大

误差为0.74°。最后使用双目视觉来评估地磁平台在动态条件下解算角度的准确

性，经实验，两者解算角度的差最大值为1.53°，表明地磁平台在动态条件下依

然可以很好的解算角度。

关键词：海洋浮标；姿态解算；地磁定向；双目视觉

-I-

哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Oceanbuoysaredevicesthatfloatintheoceanandaretypicallyusedtocollectdata

andsensorinformationinordertomonitortheMarineenvironment.Datacollectedby

oceanbuoyscanbeusedinmeteorology,oceanography,ecologyandotherindustries,

suchasmonitoringoceanwind,waveandcurrentparameters.Duetotheextremely

complexandharshMarineenvironment,oceancurrent,windandwavesandotherfactors

willaffectthemotionstate,positionanddirectionofthebuoy,soitisnecessarytoconduct

real-timeattitudecalculationoftheoceanbuoyinordertocarryoutoceanobservation

andforecastwork.

Asetofhighprecisionattitudecalculationandevaluationsystemisdesignedinthis

paper.InordertocalculatetheattitudeAngleinrealtime,asetofgeomagneticorientation

platformequippedwithaccelerometer,gyroscopeandmagnetometer