MEMS单兵导航系统强跟踪改进算法研究
发布时间：2020-08-01 22:23
【摘要】：微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)具有小尺寸、轻重量和低功耗等优点,其优势进一步促进了单兵导航系统(Pedestrian Navigation System,PNS)的发展。目前,基于MEMS的单兵导航系统已逐渐成为研究热点。现有的单兵导航主要依靠MEMS/GPS (Global Positioning System)的组合系统实现定位功能。但GPS在室内、峡谷等有遮蔽物的环境中极易发生信号缺失,从而无法为单兵提供准确连续的定位服务。此外,基于地图匹配、摄像机、射频信号及WiFi的辅助方案也被提出。这些方法虽能提高系统的定位精度,但增加了系统成本,而且这些外界信号源不是普遍存在的,致使其使用环境有一定的限制。因此,为实现单兵的自主定位功能,满足单兵导航的不同需求,研究无源信号情况下的单兵自主定位方法意义重大。对于自主式单兵导航系统,将由MEMS传感器构成的微惯性测量单元(Micro Inertial Measurement Unit,MIMU)放置于单兵脚部。利用单兵的步态特性,在脚步停止时采用零速校正算法来校正MIMU的定位误差。引入零速校正算法虽然能够有效抑制MIMU的导航误差漂移,但当以速度误差为观测量时,航向误差的不可观测性将进一步导致单兵导航系统的跟踪定位误差。为提高单兵导航系统的跟踪定位精度,解决航向误差不可观测引起的误差漂移问题,可充分利用磁强计提供的航向信息,以磁航向作为姿态基准对导航参数进行修正。故本文采用一种基于多观测量的误差修正算法,在零速检测的基础上,该算法将MEMS加速度计、陀螺仪和磁强计的信息进行融合,增加误差四元数观测量,并利用卡尔曼滤波器估计导航参数,以增强系统的可观测性,提高单兵的跟踪定位精度。在室内等磁干扰环境中,需充分考虑磁扰动的影响,故磁强计无法作为姿态角的参考源。为提高系统观测量的可信度,采用基于弱磁场检测的改进导航算法对单兵进行导航定位,以减小单兵导航系统的跟踪定位误差。在弱磁场的条件下,磁场强度误差和其变化率能够反映系统的姿态角误差和陀螺测量误差,故可利用磁强计输出的磁场强度作为系统观测信息的参考源,以导航坐标系下的磁场强度误差和载体坐标系下的磁场强度误差变化率为观测量,从而为单兵导航系统提供辅助信息,增强系统观测量可信度,提高单兵导航功能系统定位精度。最后,利用荷兰Xsens公司的MIMU进行现场试验验证算法的有效性。分别进行了室外和室内试验,并选取不同的运动路径,以验证算法的有效性和适用性。试验结果证明在相应环境下,该算法能够减小单兵的跟踪定位误差,抑制导航误差漂移。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ5;TP212
【图文】：
兵导航系统实现小型化、自主化提供了有利条件［＞５］。以ＭＥＭＳ传感器为核心器件的的逡逑ＭＩＭＵ被逐渐应用到单兵导航系统中，从而吸引了国内外众多学者的关注与研究。单兵逡逑导航系统装备图如图１．１所示。逡逑ｗ逦传输装置逡逑Ｖ．邋｜逡逑逦邋ｇｐｓ邋接收机逡逑—一馨逡逑Ｗ逡逑Ｉ邋Ｌ＿逡逑图１．１单兵导航系统装备图逡逑图１．１中单兵系统的导航模块主要是由脚部ＭＩＭＵ和肩膀上的ＧＰＳ接收机组成，逡逑依靠二者构成的组合导航系统为单兵实现跟踪定位功能。但由于ＧＰＳ对应用环境的严逡逑苛要求，该系统在某些特殊条件和环境下无法准确、连续和实时的对单兵进行导航定位。逡逑１逡逑
加速度计的产品。以ＡＤＩ、ＳＴＭ等公司为代表的半导体供应商，不断致力于开发新型逡逑微机械加速度计。日前，ＳＴＭ已推出了高性能的３轴ＭＥＭＳ加速度计ＬＩＳ３４４ＡＨＨ，其逡逑产品具有高带宽、低噪声、高机械稳定性的特点。如图１．２所示。逡逑ＭＥＭＳ邋ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ逡逑参S缅义希蓿妫峰义贤迹保插澹蹋桑樱常矗矗粒龋燃铀俣燃棋义嫌捎诮撬俣炔饬吭肀认咚俣纫喽愿丛樱裕停牛停油勇菀堑钠鸩奖龋停牛停蛹渝义纤俣燃埔怼Ｎ⒒低勇菀堑母拍钜彩怯桑模颍幔穑澹蚴笛槭易钕忍岢觥＃保梗梗衬辏翟拢檬靛义涎槭页晒ρ兄瞥隽说谝惶ㄒ舨媸较哒穸勇菀恰＃玻埃埃茨辏模颍幔穑澹蚴笛槭以谕勇菀欠矫嫒″义系昧私剑兄瞥隽似平鑫希颍冢康耐勇菀牵郏保玻荨＃校颍椋睿悖澹簦铮畲笱У难д咭捕裕停牛停油渝义下菘沽搜绣常淇⒌脑雍舜殴舱裢勇莸牧槊舳任
本文编号：2778089
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ5;TP212
【图文】：
兵导航系统实现小型化、自主化提供了有利条件［＞５］。以ＭＥＭＳ传感器为核心器件的的逡逑ＭＩＭＵ被逐渐应用到单兵导航系统中，从而吸引了国内外众多学者的关注与研究。单兵逡逑导航系统装备图如图１．１所示。逡逑ｗ逦传输装置逡逑Ｖ．邋｜逡逑逦邋ｇｐｓ邋接收机逡逑—一馨逡逑Ｗ逡逑Ｉ邋Ｌ＿逡逑图１．１单兵导航系统装备图逡逑图１．１中单兵系统的导航模块主要是由脚部ＭＩＭＵ和肩膀上的ＧＰＳ接收机组成，逡逑依靠二者构成的组合导航系统为单兵实现跟踪定位功能。但由于ＧＰＳ对应用环境的严逡逑苛要求，该系统在某些特殊条件和环境下无法准确、连续和实时的对单兵进行导航定位。逡逑１逡逑
加速度计的产品。以ＡＤＩ、ＳＴＭ等公司为代表的半导体供应商，不断致力于开发新型逡逑微机械加速度计。日前，ＳＴＭ已推出了高性能的３轴ＭＥＭＳ加速度计ＬＩＳ３４４ＡＨＨ，其逡逑产品具有高带宽、低噪声、高机械稳定性的特点。如图１．２所示。逡逑ＭＥＭＳ邋ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ逡逑参S缅义希蓿妫峰义贤迹保插澹蹋桑樱常矗矗粒龋燃铀俣燃棋义嫌捎诮撬俣炔饬吭肀认咚俣纫喽愿丛樱裕停牛停油勇菀堑钠鸩奖龋停牛停蛹渝义纤俣燃埔怼Ｎ⒒低勇菀堑母拍钜彩怯桑模颍幔穑澹蚴笛槭易钕忍岢觥＃保梗梗衬辏翟拢檬靛义涎槭页晒ρ兄瞥隽说谝惶ㄒ舨媸较哒穸勇菀恰＃玻埃埃茨辏模颍幔穑澹蚴笛槭以谕勇菀欠矫嫒″义系昧私剑兄瞥隽似平鑫希颍冢康耐勇菀牵郏保玻荨＃校颍椋睿悖澹簦铮畲笱У难д咭捕裕停牛停油渝义下菘沽搜绣常淇⒌脑雍舜殴舱裢勇莸牧槊舳任
本文编号：2778089
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