微惯性组合惯导系统技术研究

论文摘要

近年来,MEMS（微机电系统）技术迅速发展,随之出现了微型惯性测量系统（MIMS,Micro Inertional Measurement System）,因为其在体积、重量、可靠性方面的优势而成为国内外学者的研究热点,其不足之处是MIMS的测量精度还比较低,限制了它的应用。因此,如何利用其自身优势、克服不足来扩展其应用领域成为该技术领域研究的一个关键,本文正是围绕这个问题来展开的。全球定位系统（GPS）是全球、全天候、高精度导航定位系统,没有误差积累,但是容易受外界影响,和惯导系统特性互补,因此将两者组合起来,可以达到互补不足,提高精度和可靠性的作用。本文在小企业创新基金的支持下,选用MTi航姿系统作为MIMS,与GPS进行组合,以组合导航的软件实现技术为重点研究对象,主要研究了以下内容:1、在分析了MIMS和GPS工作原理以及组合关键技术的基础上,通过比较各种组合方式,考虑到对产品的精度要求以及现有条件,选择了更容易工程实现的基于速度和位置的松组合方式;因为该系统载体机动性较高,为了减少和避免刚体旋转的不可交换性误差,在捷联矩阵的更新算法中,采用了三阶等效旋转矢量法;采用集中卡尔曼滤波器的设计方式进行数据融合,并采用间接的闭环控制设计思路完成组合系统建模。2、为了便于观察系统的工作状况、实时显示的导航信息,在PC机上设计了基于VC++的导航软件,开发出了一些相关功能,可以实时的解算并输出组合导航系统数据,直观的观察导航信息,如传感器原始及处理后的数据、组合系统位置速度及姿态信息,并附带导航信息存储功能。此软件界面是人机交互式的,可以通过键盘输入的方式调整系统的一些参数。3、为了分析和测试导航系统工作状况,多次进行车载实验,选择不同复杂程度的路况,系统工作正常,实验结果表明输出精度和GPS相当,并对系统失去GPS信号前后的输出进行了比对。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.3 国内外研究和发展概况
• 1.3.1 微型惯性传感器发展概况
• 1.3.2 微型惯性测量系统发展概况
• 1.3.3 卫星导航系统发展概况
• 1.3.4 组合导航系统数据融合技术研究现状
• 1.3.5 MIMS/GPS组合系统发展概况
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第2章 微惯性组合惯导系统模型
• 2.1 MIMS基本概念
• 2.1.1 常用坐标系
• 2.1.2 姿态角定义
• 2.1.3 相关导航参数说明
• 2.2 MIMS工作原理
• 2.3 MIMS误差模型
• 2.3.1 微型惯性器件误差
• 2.3.2 MIMS误差方程
• 2.4 全球定位系统
• 2.4.1 GPS组成
• 2.4.2 GPS定位原理
• 2.4.3 GPS误差分析
• 2.4.4 GPS坐标转换
• 2.5 本章小结
• 第3章 组合关键技术
• 3.1 MIMS导航算法研究
• 3.1.1 姿态矩阵计算
• 3.1.2 姿态真值
• 3.1.3 姿态更新
• 3.1.4 位置速度更新
• 3.2 MIMS/GPS组合方法
• 3.2.1 MIMS/GPS松紧组合
• 3.2.2 MIMS/GPS集中和分散组合
• 3.2.3 MIMS/GPS组合系统的校正
• 3.3 MIMS/GPS位置速度组合开环Kalman滤波器设计
• 3.3.1 MIMS/GPS组合状态方程
• 3.3.2 MIMS/GPS组合量测方程
• 3.3.3 MIMS/GPS组合状态方程离散化
• 3.3.4 MIMS/GPS组合开环Kalman算法流程
• 3.4 MIMS/GPS位置速度组合闭环Kalman滤波器设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 组合惯导系统软件设计
• 4.1 系统导航软件
• 4.2 系统串口通信
• 4.2.1 惯性传感器数据读取
• 4.2.2 GPS接收机数据读取
• 4.3 数据预处理
• 4.3.1 数据格式转换
• 4.3.2 数据存储
• 4.3.3 数据同步
• 4.4 导航解算
• 4.4.1 矩阵类CMatrix
• 4.4.2 导航解算设计
• 4.5 导航信息显示
• 4.5.1 NTGraph控件
• 4.5.2 传感器数据显示
• 4.5.3 系统导航信息显示
• 4.6 本章小结
• 第5章 微惯性组合惯导系统实验与仿真
• 5.1 实验设备
• 5.1.1 微型惯性测量系统MIMS
• 5.1.2 GPS接收机模块
• 5.2 实验规划
• 5.2.1 实验路段选取
• 5.2.2 实验方案及初始值设定
• 5.3 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢