基于松耦合方式的低成本GPS-SINS組合導航系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).pdf

1、目前,四軸飛行器已經(jīng)被廣泛應用于許多領域,如軍事、交通和物流等。作為實現(xiàn)其自主任務飛行的關鍵技術之一,四軸飛行器的低成本導航已成為國內外研究的熱點。GPS/SINS松組合導航是最容易實現(xiàn)的組合導航形式。但應用于四軸飛行器的低成本導航系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。慣性傳感器較大的系統(tǒng)誤差和隨機噪聲是影響系統(tǒng)性能的主要因素,導航結果的漂移嚴重。低成本GPS則容易受多徑效應等影響,使得組合導航濾波器發(fā)散。此外,四軸飛行器不同狀態(tài)下的傳感器統(tǒng)計噪聲難以估計

2、。
　　本文針對四軸飛行器的特性,詳細地闡述了一個采用松耦合方式的低成本組合導航系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求和指標,本文首先闡述了系統(tǒng)總體的方案設計并搭建了硬件平臺。利用制作的系統(tǒng)硬件平臺的數(shù)據(jù),本文分析了極低成本慣性傳感器的誤差,并針對傳感器的系統(tǒng)誤差設計了標定算法,針對傳感器的隨機誤差設計了前置濾波算法。為了抑制GPS的突變數(shù)據(jù),根據(jù)四軸飛行器的低動態(tài)性能,本文建立了定常速度模型,并利用卡爾曼濾波技術設計了GPS的前置濾波算

3、法。標定及前置濾波結果顯示,設計的算法可有效提高傳感器的性能。
　　為實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)融合,本文詳細推導了低成本SINS的誤差傳遞方程,包括位置、速度和姿態(tài)的擾動方程,并以此建立了組合導航系統(tǒng)的狀態(tài)方程。為了有效估計系統(tǒng)的觀測噪聲統(tǒng)計特性,本文對磁力計和氣壓高度計與四軸飛行器電機轉速的關系建立了經(jīng)驗模型。飛行實驗證明,本文設計的低成本GPS/SINS組合導航系統(tǒng)可有效提高導航精度,可以滿足實時導航應用。
　　相比國內外已有研究

4、成果,本文的主要創(chuàng)新點包括:
　　1.設計了低成本MEMS-IMU的快速現(xiàn)場標定算法。通過分析發(fā)現(xiàn),極低成本的傳感器的零偏時變特性并不顯著,因此可以僅對固定零偏進行快速標定。設計的標定算法可以不借助其他設備快速標定傳感器的零偏、尺度因子等;
　　2.針對低成本慣性傳感器存在較大隨機噪聲問題,本文設計了前置濾波算法,并利用Allan方差估計了濾波前后的白噪聲強度;利用四軸飛行器的低動態(tài)特性,設計了GPS的前置卡爾曼濾波算法;<