基于多傳感器信息融合的低成本車載組合導航的研究.pdf

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

2、捷聯(lián)慣導系統(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)更新并在載體坐標系更新過程中考慮到圓錐運動誤差，在速度更新過程中考慮劃船誤差補償。推導了捷聯(lián)慣導系統(tǒng)誤差狀態(tài)簡化模型，以便用于低成本組合導航系統(tǒng)設(shè)計。最后通過MIMU在靜態(tài)情況下的測量值，進行純慣導解算，導航結(jié)果表明當使用MIMU作為慣性測量元件時，純慣導系統(tǒng)的在前10s內(nèi)有很好的精度，但之后

3、的姿態(tài)、速度和位置誤差會快速增大，說明設(shè)計組合導航系統(tǒng)的必要性。
　　2.為了解決組合導航系統(tǒng)的初始對準問題，本文研究了磁強計(MAG)輔助的初始對準算法。首先針對復雜的車載環(huán)境，通過分析磁強計所受到的軟磁和硬磁干擾，采用橢球擬合來補償磁強計受到的羅差干擾。通過對比補償前后磁強計輸出的磁場模值，補償測得的磁場模值接近1，證明很好地補償了磁強計的羅差。然后利用加速度計和磁強計實現(xiàn)了粗對準，為精對準提供了較為精確的初始姿態(tài)角，而且大大

4、地縮短了粗對準的時間。最后，設(shè)計了靜基座下基于卡爾曼濾波理論的初始精對準算法。靜基座下的初始對準實驗表明本文提出的初始對準算法能夠在很短的時間內(nèi)收斂，對準精度滿足慣導的要求。
　　3.設(shè)計并且實現(xiàn)了MIMU/WSS/MAG車載組合導航系統(tǒng)。由于聯(lián)邦卡爾曼濾波器相對于集中式卡爾曼濾波具有計算量少、便于對導航子系統(tǒng)作故障檢測、診斷和隔離等優(yōu)點，本文詳細描述了聯(lián)邦卡爾曼濾波器的設(shè)計過程。在仔細分析子導航系統(tǒng)組合模式后，分別設(shè)計了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子系統(tǒng)進行了融合，完成了自適應(yīng)聯(lián)邦卡爾曼濾波器的設(shè)計。最后設(shè)計了實車實驗，通過對比聯(lián)邦卡爾曼濾波和集中式卡爾曼濾波的導航結(jié)果，驗證了聯(lián)邦卡爾曼濾波在導航精度和故障隔離及恢復的優(yōu)勢。
　　論文對低成本MIMU/WSS/MAG車載組合導航系統(tǒng)進行了較為系統(tǒng)的研究，為低成本車載組合導航提供了一種可行的組合方案，為進一步實現(xiàn)