单兵自主导航算法优化及误差修正方法研究
发布时间：2020-10-09 23:34
基于微惯性测量单元(MIMU)的单兵导航系统,能够弥补卫星导航信号易受外界干扰、欺骗和伪经效应误差等缺陷,在卫星信号薄弱或缺失的状况下,如室内、隧道,具备短时间内的自主导航功能。它能够被应用在个人位置服务、抢险救灾、大型楼宇中的监控和追踪等多个领域,具有极高的理论研究与社会应用价值,近年来,引起了学术界和工业界的广泛关注。本文建立在单兵导航实际需求的基础上,以微型、低成本MIMU为核心构建多传感器组合的单兵导航系统,设计多种优化算法和误差约束修正方法,提升基于MIMU的单兵自主导航系统在无卫星信号环境下的定位导航精度,使之能适应复杂环境下的任务要求,最终达到长时间、稳定、精确导航的目标。本文的主要研究工作包括:(1)系统性地研究了捷联惯性导航算法和行人步行航位推算算法,设计完成了基于误差模型的卡尔曼滤波器和步行零速修正算法。通过实验验证了导航算法的有效性,并对比分析了捷联惯性导航/零速修正组合和步行航位推算这两种算法的优缺点和误差范围。(2)在现有的步态检测算法基础上,综合评定了基于加速度信息、基于角速度信息和融合了加速度和角速度信息的步态检测算法,设计实验定量分析出算法参数对最终检测和定位结果的影响。证明了加速度/角速度组合的步态检测算法准确性更高。(3)基于MIMU模块设计了单兵动作识别算法,完成对静止、步行(慢速、中速、快速)、跑步、上下楼梯、直线行走、转弯等多种动作状态的分类识别。同时,将动作状态这一重要信息,应用到本文提出的各优化算法中,如基于自观测量的航向修正算法、应用动作/楼向信息的航向修正算法、动作识别/隐马尔科夫模型组合的高度修正算法等,都取得了较好的实验结果。(4)针对单兵导航系统中的航向误差发散问题,设计了基于自观测量的航向修正算法和应用外部信息的航向修正算法。其中,基于自观测量的航向修正算法包括基于零速观测量(ZUPT)、基于零角速率观测量(ZARU)和基于步行直线航向角观测量(HDOU)的误差修正算法,通过实验评估了三者的算法性能,证明ZUPT+ZARU+HDOU组合算法的导航精度、误差抑制效果和稳定性更好。应用外部信息的航向修正算法中,通过引入磁力计信息、动作/楼向信息和机器视觉信息,有效的提供了更为精准和稳定的参考航向角,抑制系统航向误差的发散。(5)针对单兵导航系统中高度误差发散的问题,提出了气压/微惯性组合的高度估计算法和动作识别/隐藏马尔科夫模型组合的高度估计算法,有效的抑制了高度误差的发散,为单兵导航系统提供可靠的高度信息和楼层判断,最终通过实验评估了两种算法的精度。(6)设计了一种双MIMU的单兵导航方案,建立双导航系统模型,并设计带不等式约束的卡尔曼滤波算法,融合双MIMU导航系统信息。证明了双MIMU的单兵导航系统相对于单MIMU的单兵导航系统,具有精度高、可靠性强、容错能力强等优点。(7)进行多组综合实验验证,最终在某型号MIMU平台下取得了25分钟步行1000m最大误差仅0.55%的高精度定位结果,验证了本文提出的算法优化和误差修正方法的优良性能。同时也测试验证了导航算法在成本极低的MIMU平台的可行性。
【学位单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ5;TN96
【部分图文】：
1.1 研究背景和意义兵导航系统，作为单兵数字化系统的重要组成部分，主要用于单兵作战人知或未知环境下的实时定位和自主导航，并将单兵实时定位信息传输给指挥，以满足作战指挥的需求以及提升协同作战能力。该系统的适用对象主要包兵、警察、消防员等从事高危险工作的特殊人员，使他们能够在紧急突发状，及时获取自身所处环境信息，提供安全保障。同时，在室内、隧道、地下、丛林探险等卫星导航信息薄弱的地区，单兵导航系统也能够发挥自主导航用。未来数字化战场条件下，士兵是战场信息网中的重要一环，单兵综合作战够有效提升士兵的精确打击、战场感知、信息处理、协同作战等综合能力。，我国在单兵装备中集成的定位与导航模块，主要以卫星导航终端为主体，将数字地图、单兵定位信息、战场态势实时展现在手持终端以及传输给远程中心。
设施的室内行人导航技术不在本文的考虑范围内。本文人导航为主要研究对象。本节重点论述了将要采用的导，包括步行导航模块设计技术、基于 MIMU 的行人导航技导航技术、视觉辅助行人导航技术的。导航模块发展现状机电传感器(Micro-Electro-Mechanical Sensor, MEMS)发尺寸小、能耗低、性能高以及成本低等优点，使得将IMU, MIMU）集成于单兵导航系统成为了可能。试将加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等微型传感器电池等成在小模块中，实现了数据采集、导航解算、当的进展。了德国卡尔斯鲁厄理工大学（KIT）研制的基于 MIMU当于一枚硬币，可方便的佩戴在鞋上使用[1]。图 1.3 为shoe 步行导航模块，成本仅 800 美元，在 100m 内能取能将数据通过蓝牙模块与手机和电脑端同步[2]。
、能耗低、性能高以及成本低等优点，IMU）集成于单兵导航系统成为了可能。速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等微型成在小模块中，实现了数据采集、导航展。卡尔斯鲁厄理工大学（KIT）研制的基于枚硬币，可方便的佩戴在鞋上使用[1]。图行导航模块，成本仅 800 美元，在 100m据通过蓝牙模块与手机和电脑端同步[2]。 1.2 德国卡尔斯鲁厄理工大学研制的步行导航模
本文编号：2834372
【学位单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ5;TN96
【部分图文】：
1.1 研究背景和意义兵导航系统，作为单兵数字化系统的重要组成部分，主要用于单兵作战人知或未知环境下的实时定位和自主导航，并将单兵实时定位信息传输给指挥，以满足作战指挥的需求以及提升协同作战能力。该系统的适用对象主要包兵、警察、消防员等从事高危险工作的特殊人员，使他们能够在紧急突发状，及时获取自身所处环境信息，提供安全保障。同时，在室内、隧道、地下、丛林探险等卫星导航信息薄弱的地区，单兵导航系统也能够发挥自主导航用。未来数字化战场条件下，士兵是战场信息网中的重要一环，单兵综合作战够有效提升士兵的精确打击、战场感知、信息处理、协同作战等综合能力。，我国在单兵装备中集成的定位与导航模块，主要以卫星导航终端为主体，将数字地图、单兵定位信息、战场态势实时展现在手持终端以及传输给远程中心。
设施的室内行人导航技术不在本文的考虑范围内。本文人导航为主要研究对象。本节重点论述了将要采用的导，包括步行导航模块设计技术、基于 MIMU 的行人导航技导航技术、视觉辅助行人导航技术的。导航模块发展现状机电传感器(Micro-Electro-Mechanical Sensor, MEMS)发尺寸小、能耗低、性能高以及成本低等优点，使得将IMU, MIMU）集成于单兵导航系统成为了可能。试将加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等微型传感器电池等成在小模块中，实现了数据采集、导航解算、当的进展。了德国卡尔斯鲁厄理工大学（KIT）研制的基于 MIMU当于一枚硬币，可方便的佩戴在鞋上使用[1]。图 1.3 为shoe 步行导航模块，成本仅 800 美元，在 100m 内能取能将数据通过蓝牙模块与手机和电脑端同步[2]。
、能耗低、性能高以及成本低等优点，IMU）集成于单兵导航系统成为了可能。速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等微型成在小模块中，实现了数据采集、导航展。卡尔斯鲁厄理工大学（KIT）研制的基于枚硬币，可方便的佩戴在鞋上使用[1]。图行导航模块，成本仅 800 美元，在 100m据通过蓝牙模块与手机和电脑端同步[2]。 1.2 德国卡尔斯鲁厄理工大学研制的步行导航模
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 谢波;江一夫;严恭敏;任宏科;;个人导航融合建筑平面信息的粒子滤波方法[J];中国惯性技术学报;2013年01期
相关硕士学位论文 前2条
1 马晓龙;基于MIMU的单兵室内导航算法研究[D];国防科学技术大学;2013年
2 许睿;行人导航系统算法研究与应用实现[D];南京航空航天大学;2008年
本文编号：2834372
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