基于多傳感器信息融合的低成本車(chē)載組合導(dǎo)航的研究.pdf

1、當(dāng)使用低成本微慣性測(cè)量單元(MEMS IMU)作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的慣性測(cè)量元件時(shí)，受到慣性傳感器精度限制（主要表現(xiàn)為陀螺和加速度計(jì)的漂移和噪聲），純慣導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法獨(dú)立完成導(dǎo)航定位，將其與其他導(dǎo)航方式結(jié)合成為了陸用車(chē)載導(dǎo)航的主要研究方向。同時(shí)，傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展也使得高度組合的車(chē)載自主導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。本文以車(chē)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)為應(yīng)用背景，重點(diǎn)研究了低成本MIMU/WSS/MAG組合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　1.推導(dǎo)了

2、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)姿態(tài)、速度和位置更新算法，其中姿態(tài)更新采用四元數(shù)更新并在載體坐標(biāo)系更新過(guò)程中考慮到圓錐運(yùn)動(dòng)誤差，在速度更新過(guò)程中考慮劃船誤差補(bǔ)償。推導(dǎo)了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差狀態(tài)簡(jiǎn)化模型，以便用于低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后通過(guò)MIMU在靜態(tài)情況下的測(cè)量值，進(jìn)行純慣導(dǎo)解算，導(dǎo)航結(jié)果表明當(dāng)使用MIMU作為慣性測(cè)量元件時(shí)，純慣導(dǎo)系統(tǒng)的在前10s內(nèi)有很好的精度，但之后

3、的姿態(tài)、速度和位置誤差會(huì)快速增大，說(shuō)明設(shè)計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的必要性。
　　2.為了解決組合導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，本文研究了磁強(qiáng)計(jì)(MAG)輔助的初始對(duì)準(zhǔn)算法。首先針對(duì)復(fù)雜的車(chē)載環(huán)境，通過(guò)分析磁強(qiáng)計(jì)所受到的軟磁和硬磁干擾，采用橢球擬合來(lái)補(bǔ)償磁強(qiáng)計(jì)受到的羅差干擾。通過(guò)對(duì)比補(bǔ)償前后磁強(qiáng)計(jì)輸出的磁場(chǎng)模值，補(bǔ)償測(cè)得的磁場(chǎng)模值接近1，證明很好地補(bǔ)償了磁強(qiáng)計(jì)的羅差。然后利用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)實(shí)現(xiàn)了粗對(duì)準(zhǔn)，為精對(duì)準(zhǔn)提供了較為精確的初始姿態(tài)角，而且大大

4、地縮短了粗對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間。最后，設(shè)計(jì)了靜基座下基于卡爾曼濾波理論的初始精對(duì)準(zhǔn)算法。靜基座下的初始對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表明本文提出的初始對(duì)準(zhǔn)算法能夠在很短的時(shí)間內(nèi)收斂，對(duì)準(zhǔn)精度滿足慣導(dǎo)的要求。
　　3.設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了MIMU/WSS/MAG車(chē)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)。由于聯(lián)邦卡爾曼濾波器相對(duì)于集中式卡爾曼濾波具有計(jì)算量少、便于對(duì)導(dǎo)航子系統(tǒng)作故障檢測(cè)、診斷和隔離等優(yōu)點(diǎn)，本文詳細(xì)描述了聯(lián)邦卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。在仔細(xì)分析子導(dǎo)航系統(tǒng)組合模式后，分別設(shè)計(jì)了SINS

5、/WSS和SINS/MAG子系統(tǒng)，建立各子系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，然后根據(jù)聯(lián)邦卡爾曼濾波的自適應(yīng)信息分配原則將兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了融合，完成了自適應(yīng)聯(lián)邦卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)。最后設(shè)計(jì)了實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比聯(lián)邦卡爾曼濾波和集中式卡爾曼濾波的導(dǎo)航結(jié)果，驗(yàn)證了聯(lián)邦卡爾曼濾波在導(dǎo)航精度和故障隔離及恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)。
　　論文對(duì)低成本MIMU/WSS/MAG車(chē)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為低成本車(chē)載組合導(dǎo)航提供了一種可行的組合方案，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)