基于MEMS传感器的数字式航姿系统设计

针对传统的模拟平台式航姿系统的不足,设计并实现了基于微惯性传感器和微磁传感器的数字式捷联惯性航姿系统。结合四元数微分方程,利用一种以加速度计和磁航向为观测量的卡尔曼滤波器进行数据融合,实现了对陀螺漂移的修正。PC104作为导航计算机,安装了微软高性能嵌入式操作系统。实物静态和跟踪实验表明:该航姿系统简单可行,能够很好地满足航姿系统精度要求。     

低成本无人机姿态测量系统研究

由于低成本的MEMS惯性器件本身的限制,单独使用时精度低、稳定性差,在短时间内会产生较大的误差,无法完成长时间中等精度的导航,解决这个问题常用的方法是采用现代信息融合技术来提高姿态测量系统的精度。利用地磁场、重力场这2个姿态参考向量,采用扩展Kalman滤波(EKF)对不同来源姿态数据进行数据融合,实现了低精度MIMU与磁传感器组合航姿系统。仿真和实验证明:3个姿态角的静态误差小于0.5°,航向角的动态误差小于3°,该系统能够保证无人机姿态测量的精度。     

一种基于磁传感器的MEMS陀螺标定方法

根据微型航姿测量系统各传感器的特点,研究出了一种基于磁传感器输出的MEMS陀螺标定方法,并根据MEMS陀螺误差参数模型设计相应的补偿算法,分别对MEMS陀螺的零偏和标度因数误差进行了补偿。与传统标定方法相比,该方法实现简单,适用于现场标定。实验结果表明,该标定方法能够有效地提高MEMS陀螺测量精度,补偿后陀螺在静态条件下2分钟内,俯仰角漂移小于0.035°,倾斜角漂移小于0.15°,航向角的漂移小于0.2°。当陀螺三轴均有角速率输入时,在角速度小于25°/s情况下误差都能保持在±2°以内。     

基于DSP+CPLD的捷联航姿系统设计与实现

针对捷联航姿系统高精度、小型化、高可靠性的发展需求,文中研究并实现了基于DSP+CPLD导航计算机的光纤航姿参考系统,在导航计算机设计中充分体现了DSP处理器实时解算和CPLD控制信号的双重优点.系统软件可实现加电BIT、磁罗差标定、CRC校验的存储器自检、捷联航姿解算和模糊自适应内阻尼卡尔曼滤波等功能.通过大量的试验验证了硬件的可靠性和算法的有效性.样机实验结果表明基于DSP和CPLD导航计算机的捷联惯性航姿系统性能稳定,满足系统的精度设计要求.     

基于DSP/FPGA的光纤捷联航姿系统设计

为适应现在航空设备向小型化、低功耗方向发展,设计了一种基于DSP+FPGA的高速、多通道的捷联航姿系统;主要描述了系统的硬件电路设计,采用FPGA完成各传感器的数据采集及控制;采用了高性能的浮点型DSP为内核,用于航姿解算数据高速处理;将FPGA映射到DSP EMIF的一段地址上进行数据交互;FPGA设计采用VHDL语言描述,DSP程序采用了C语言程序和汇编程序编制,设计可重构性强,升级容易,移植性好;跑车试验证明系统高速可行,俯仰角和横滚角误差在0.05°以内,航向角误差为小于0.5°,精度达到了设计的要求。     

倾斜补偿式地磁传感器的设计与误差补偿方法

针对仿生偏振光-地磁-GPS的多信息源融合导航平台中的地磁导航需求,设计一种基于磁阻技术的补偿式三维地磁传感器系统.详细介绍了三维地磁传感器的原理、设计方法,分析了影响传感器精度的误差来源,并有针对性地进行了误差分析与补偿方法的研究.本传感器可实现航向角、俯仰角以及横滚角的动态实时测量,为多信息源融合下的自主导航系统提供一种精确有效的地磁导航辅助信息.     

备份航姿系统的磁传感器在线校准方法

磁航向角是备份航姿系统的重要输出参数,为提高测量性能,需对磁传感器进行误差标定。对于机载应用的磁传感器,地面标定方法需要耗费大量的时间且操作不便,在地表标定结果的适用性随距离标定的时间和使用空间位置的变化而降低。基于备份航姿系统的实际工作特点,提出一种在备份状态下利用飞机主惯导的姿态角信息对磁传感器误差进行在线校准的方案,设计了误差校准数据存储的数据结构,提出了校准数据对航向空间覆盖的充分性评价策略,最后利用无磁转台模拟环境,验证了某备份航姿系统的磁传感器在线校准方案的可行性和有效性。     

基于多传感器融合的车载航位推算系统

针对传统车载航位推算(DR)系统单独导航时导航误差随时间迅速累积的问题,提出一种基于多传感器信息融合的低成本车载DR系统.以无迹卡尔曼滤波器(UKF)作为数据融合算法,综合利用里程计、陀螺、加速度计、磁力计和气压计等多种传感器的信息,抑制DR系统的累积误差,以低成本、低精度的传感器实现高精度导航.通过实际的长达12 min的道路导航试验,结果表明:导航误差小于总航程的1％,与传统DR系统相比有较大的精度提升.     

基于单轴光纤陀螺的车载组合导航系统设计

针对陆上车辆导航定位设计了一种基于单轴光纤陀螺的简化惯导系统(Reduced Inertial Sensor System,RISS),该系统由一个单轴光纤陀螺、三个加速度计和一个倾角传感器组成。为获得较高精度的航向信息利用双天线GPS和RISS进行组合,构成双天线GPS/RISS组合导航系统,应用卡尔曼滤波技术实现数据融合,并进行仿真实验和跑车试验验证所设计系统的合理性。仿真实验结果证明双天线GPS/RISS组合导航系统与GPS/RISS组合导航系统相比,航向精度得到显著提升。跑车实验结果表明,设计双天线GPS/RISS组合导航系统的位置误差小于2m,航向角误差小于1°,能满足车载导航定位定向需求。     

微型航姿系统中磁传感器温度漂移补偿研究

研究了微型航姿系统中地磁传感器的温度特性,根据地磁传感器噪声的频谱特性,设计了带阻数字滤波器;基于地磁传感器测量原理分析传感器输出电压随温度变化的规律,利用多项式相消的方法建立磁传感器温度漂移误差的实时补偿模型,并应用于微型航姿系统的磁航向解算。多次试验结果表明:地磁传感器零偏模型具有良好的重复性,实时温度漂移误差补偿模型可以有效地补偿地磁传感器引起的温度漂移误差;缩短了系统的预热时间,提高了系统输出的磁航向精度。     

基于双CPU的多传感器组合导航系统研究

以单片机+DSP双CPU导航计算机构成的嵌入式硬件平台为基础,开展了磁航向辅助的捷联惯导/GPS组合导航系统的研究。采用八位置标定算法消除环境磁场对磁航向计的干扰,提高输出精度;多传感器的信息融合采用低阶卡尔曼滤波器,以满足导航系统导航精度和实时性的要求。针对双CPU导航计算机的特殊结构,设计出了整个导航程序时序控制流程,以实现多传感器数据采集的同步性和实时性。给出了数据采集周期和导航解算周期的时序控制以及双CPU之间的实时数据通信的实现流程,最后,通过实物联调验证了该方案设计是完全可行的。     

基于PDR/UWB紧耦合的足绑式行人导航技术

为了解决低成本微机电惯性导航系统存在的累积误差问题,提出一种基于融合行人航迹推算(PDR)和超宽带(UWB)无线定位的实时室内行人导航系统.利用加速度计和磁强计进行初始姿态对准;考虑滤波误差估计,推导了惯性导航算法;依靠加速度计和陀螺仪的"与"逻辑进行行人步态检测;实施零速更新(ZUPT)提供速度误差观测量,利用UWB系统提供位置误差观测量;设计具有野值辨识机制的扩展卡尔曼滤波器进行数据融合.对提出的行人导航算法进行实验验证,结果表明该行人导航算法与传统定位方法相比能够有效提高行人定位精度.实验中,该行人导航算法能够获取低于0.2 m的定位误差,且稳定、不发散.     

基于低成本MEMS器件的捷联航姿系统设计

针对军事和工程领域对低成本、微小型航姿系统的迫切需求,介绍了自行设计的基于低成本MEMS器件的航姿系统,深入研究了构建该系统的关键技术。针对MIMU的性能特点及核心处理器的运算速度,给出了磁传感器的补偿算法,采用了基于等效旋转矢量的姿态解算方法,并应用了降阶卡尔曼滤波器。通过移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统,增强了系统的实时性。实验结果表明,所设计的航姿系统实时性好,精度可达要求,具有广阔的应用前景。     

低成本IMU/GPS组合导航系统设计

纯惯导数据自主性强、更新率高、实时性好,但系统误差会随时间积累。GPS将误差限制在一定范围内,但数据更新较慢,易受外界干扰。以IMU、GPS和磁航向计构成的低成本组合导航系统已成为目前研究的热点。本研究构建了低成本小型航姿系统。为了更好地满足工程需要,增强系统的实时性,考虑到时间延迟对系统的影响,设计10维卡尔曼滤波器用于导航计算,实测跑车并对数据进行仿真。初步结果表明,所构建的组合导航系统精度和稳定性均满足导航要求。     

基于DSP与FPGA的嵌入式组合导航计算机系统设计

为了满足SINS/GPS组合导航系统高精度、低功耗、小型化的需求,设计出基于DSP和FPGA架构的嵌入式导航计算机平台。首先,描述了导航计算机系统的总体架构,提出了导航计算机硬件总体设计方案,并阐述了导航信息处理模块和数据采集通信模块;其次,设计了Kalman组合滤波器,描述了组合导航系统软件流程;最后,进行样机实证试验。实验结果表明,该系统可以实时高效完成外围传感器信息数据采集、实时导航解算、Kalman滤波、上位机的指令读取等任务,满足SINS/GPS组合导航系统对导航计算机的性能需求。     

具有全局速度约束的惯性／编码器／视觉／激光融合定位方法：IEVL-Fusion

针对卫星拒止环境中移动机器人高精度定位需求,提出一种基于误差状态扩展卡尔曼滤波（ES-EKF）的激光定位子系统／视觉定位子系统／全局速度测量子系统松耦合融合定位方法,并设计了一个误差低漂移的组合定位系统。首先,根据向量加法和矩阵乘法对系统状态的误差进行最小表示,建立误差形式的卡尔曼滤波模型,以误差状态的最优估计对系统状态的估计值进行补偿。然后,针对激光和视觉定位子系统位姿不确定度未知的问题,将位姿输出依时间戳转化为位姿增量,并建立位姿增量观测模型。其次,针对组合定位系统缺少全局速度约束的问题,利用姿态航向参考系统（AHRS）和正向运动学模型构建全局速度测量子系统,并建立全局速度观测模型。最后,在街道和野外两个场景中进行测试,本文算法的相对定位误差小于0.4%,相较于仅受局部速度约束的EKF和ES-EKF融合定位算法降低了约40%。实验结果表明,所提出的算法有效提升了定位系统的精度。     

基于ARM和DSP的组合导航系统设计

设计并实现了基于ARM和DSP的SINS/GPS组合导航系统;该系统采用DSP作为导航解算计算机,完成导航数据的快速的融合与解算处理;采用ARM处理器作为上位机,完成导航系统的数据存储、显示与输入输出接口控制等功能;重点完成了光纤陀螺和加速度计的高精度数据采集以及ARM与DSP之间的通信接口的设计,并根据系统的硬件配置,设计并实现了组合导航系统的卡尔曼滤波器;最后进行了车载试验,试验数据分析结果表明该组合导航系统可以获得理想的导航精度,验证了导航系统软、硬件设计的正确性和可靠性.     

基于多传感器信息融合城市车辆导航定位

针对全球定位系统信号易受城市复杂的环境干扰,接收不可靠、航位推算只能进行短时间高精度导航、地图匹配仅可在拐弯处才能提供与地图精度相当的修正信息、城区车辆导航存在“盲区”问题,研制了采用蓝牙技术的新型路标传感器,研究了基于自适应联合卡尔曼滤波算法的多传感器信息融合技术。大量的试验研究表明：采用该信息融合技术后,城区车辆导航定位精度达到10m以内,符合高精度导航定位要求。     

自主姿态测量算法研究

航姿系统一般不实时计算速度和位置信息,无法补偿地球自转和表观运动引起的分量误差,同时陀螺漂移较大,载体长时间持续机动时,出现姿态精度不高,甚至发散的问题。提出了一种基于卡尔曼滤波的姿态融合算法,将等效陀螺漂移列入系统状态,利用卡尔曼滤波的新息对运动状态进行判别,在一定条件下,用加速度计的输出作为量测量进行卡尔曼滤波的量测更新过程。实验结果表明,所提出的姿态融合算法考虑了陀螺漂移,能提高载体长时间机动时的姿态精度。