基于GNSS/IMU/视觉多传感融合的组合导航定位算法研究
发布时间：2022-01-27 08:04
自动驾驶技术已经为人类生活提供诸多便利,如降低交通事故发生率,提高出行效率,减少园区作业中的人工成本等。其中,定位技术是自动驾驶技术中非常重要的一环,其关系到车辆位姿的正确判定,是路径规划、车辆控制等过程的重要基础和前提,因此保证定位的精度和稳定性是至关重要的。目前自动驾驶车辆定位主要依靠的是全球导航卫星系统（GNSS,Global Navigation Satellite System）和惯性导航系统（INS,Inertial Navigation System）,二者融合可以实现多数情况下对自动驾驶汽车可靠定位,但是仍然存在两个重要问题:1)GNSS信号由于数据处理、数据传输会引入时延;2)GNSS信号处于遮挡区域时无法输出位置信息,而仅靠惯性导航会产生较大误差。本文构建了GNSS/INS组合导航算法,利用延时估计和补偿算法解决了其中存在的延时问题,同时构建了视觉-惯性里程计解决GNSS信号的遮挡问题。具体展开了以下研究:首先,本文根据惯性导航的基本原理完成了惯性导航算法推导及解算,该算法是构建GNSS/INS组合导航系统的重要基础。同时,推导了用于惯性传感器与视觉融合的IMU（I...
【文章来源】：上海交通大学上海市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
描述了横滚角、俯仰角和航向角的定义，蓝色的箭头表示角度为正时的
GNSS/INS组合导航定位第37页差分基准站Fig.3-1Differentialreferencestation图3-1是在实验过程中架设的RTK地基差分系统，该系统主要包括GNSS接收机、发射电台、发射支架、接收电台四个部分组成。GNSS接收机采用的是美国天宝公司生产的BD982板卡，可以支持多个卫星导航定位系统，支持多种频率，接口也很丰富，该接收机需要充当基准站的角色，因此要事先接上位机将其配置为基准站模式。发射电台与基准站连接，用于发送基准站传出的修正信息，发射功率选择的越大，覆盖的范围就会越广，其频道设置要与接收电台相同。发射天线负责信号的发送，其架设应该选择在空旷的高地，空旷的高地可以使减少信号阻隔。接收电台装载到自动驾驶汽车上，与车辆上的GNSS接收机相连，用于接收无线电信号。这种差分系统为电台差分，通过电台收发信号，还可以采用网络差分的形式，工作原理与电台差分一致，信号由电台传输变为网络传输，可以加大信号的传输范围。3.3惯性导航误差模型GNSS与INS融合的目的实际上是利用GNSS的信息对INS进行误差校正，这一过程要对INS的误差有一个合理估计，并将估计的误差反馈，因此对INS的误差正确建模十分重要。根据图2-1描述的惯性算法流程，需要估计的误差主要包括姿态误差、速度误差和位置误差，除此以外，还要对加速度计和陀螺仪零偏做出估算。
上海交通大学硕士学位论文第42页kk1k1k1kkkkxxQyHxR（3-14）其中1=,tkkeFHH，t为采样时间间隔，Q为过程噪声协方差矩阵，R是测量噪声协方差矩阵。在离散化之后，第k步的状态值就可以由第k-1步状态值估计得到。卡尔曼滤波算法框图Fig.3-2Kalmanfilteralgorithmblockdiagram如图3-2，卡尔曼滤波的核心算法步骤由以下几步构成：（1）根据上一步的状态值和误差协方差矩阵预测本步的状态值和误差协方差矩阵。|111kkkkxx（3-15）|11111TkkkkkkPPQ（3-16）（2）计算卡尔曼增益，卡尔曼增益决定了估计值和测量值之间的权重分配关系，是很重要的环节。1|1|1TTkkkkkkkkkKPHHPHR（3-17）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于稳健特征点的立体视觉测程法[J]. 闵海根,赵祥模,徐志刚,张立成,王润民. 上海交通大学学报. 2017(07)
[2]无人车自主定位和障碍物感知的视觉主导多传感器融合方法（英文）[J]. Jian-ru XUE,Di WANG,Shao-yi DU,Di-xiao CUI,Yong HUANG,Nan-ning ZHENG. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering. 2017(01)
[3]高动态GPS/INS组合导航中时间延迟软硬件补偿算法研究[J]. 杜瑾,李杰,罗丹瑶,邹坤,杨雁宇. 传感技术学报. 2016(12)
[4]GPS/INS紧耦合系统提高GPS失锁后解算精度的方法[J]. 洪海斌,郭杭,滕长胜,徐运广. 测绘科学. 2015(01)
[5]Cubature卡尔曼滤波与Unscented卡尔曼滤波估计精度比较[J]. 孙枫,唐李军. 控制与决策. 2013(02)
[6]基于ANFIS神经网络的GPS/INS组合导航信息融合[J]. 刘卓凡,杨凯,王加详,刘玉广. 计算机测量与控制. 2012(08)
[7]MEMS惯性器件误差系数的Allan方差分析方法[J]. 赵思浩,陆明泉,冯振明. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2010(05)
[8]一种单目视觉测距方法的研究[J]. 王小坤,贾庆轩,谭胜. 科技信息(学术研究). 2008(34)
[9]北斗卫星定位算法研究[J]. 廉保旺,赵楠,王永生. 西北工业大学学报. 2007(01)
博士论文
[1]GNSS兼容与互操作总体技术研究[D]. 刘卫.上海交通大学 2011
硕士论文
[1]基于高精细地图的GPS导航方法研究[D]. 贺勇.上海交通大学 2015
[2]载波相位差分动态定位的方法研究[D]. 王成.长安大学 2010
本文编号：3612102
【文章来源】：上海交通大学上海市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
描述了横滚角、俯仰角和航向角的定义，蓝色的箭头表示角度为正时的
GNSS/INS组合导航定位第37页差分基准站Fig.3-1Differentialreferencestation图3-1是在实验过程中架设的RTK地基差分系统，该系统主要包括GNSS接收机、发射电台、发射支架、接收电台四个部分组成。GNSS接收机采用的是美国天宝公司生产的BD982板卡，可以支持多个卫星导航定位系统，支持多种频率，接口也很丰富，该接收机需要充当基准站的角色，因此要事先接上位机将其配置为基准站模式。发射电台与基准站连接，用于发送基准站传出的修正信息，发射功率选择的越大，覆盖的范围就会越广，其频道设置要与接收电台相同。发射天线负责信号的发送，其架设应该选择在空旷的高地，空旷的高地可以使减少信号阻隔。接收电台装载到自动驾驶汽车上，与车辆上的GNSS接收机相连，用于接收无线电信号。这种差分系统为电台差分，通过电台收发信号，还可以采用网络差分的形式，工作原理与电台差分一致，信号由电台传输变为网络传输，可以加大信号的传输范围。3.3惯性导航误差模型GNSS与INS融合的目的实际上是利用GNSS的信息对INS进行误差校正，这一过程要对INS的误差有一个合理估计，并将估计的误差反馈，因此对INS的误差正确建模十分重要。根据图2-1描述的惯性算法流程，需要估计的误差主要包括姿态误差、速度误差和位置误差，除此以外，还要对加速度计和陀螺仪零偏做出估算。
上海交通大学硕士学位论文第42页kk1k1k1kkkkxxQyHxR（3-14）其中1=,tkkeFHH，t为采样时间间隔，Q为过程噪声协方差矩阵，R是测量噪声协方差矩阵。在离散化之后，第k步的状态值就可以由第k-1步状态值估计得到。卡尔曼滤波算法框图Fig.3-2Kalmanfilteralgorithmblockdiagram如图3-2，卡尔曼滤波的核心算法步骤由以下几步构成：（1）根据上一步的状态值和误差协方差矩阵预测本步的状态值和误差协方差矩阵。|111kkkkxx（3-15）|11111TkkkkkkPPQ（3-16）（2）计算卡尔曼增益，卡尔曼增益决定了估计值和测量值之间的权重分配关系，是很重要的环节。1|1|1TTkkkkkkkkkKPHHPHR（3-17）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于稳健特征点的立体视觉测程法[J]. 闵海根,赵祥模,徐志刚,张立成,王润民. 上海交通大学学报. 2017(07)
[2]无人车自主定位和障碍物感知的视觉主导多传感器融合方法（英文）[J]. Jian-ru XUE,Di WANG,Shao-yi DU,Di-xiao CUI,Yong HUANG,Nan-ning ZHENG. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering. 2017(01)
[3]高动态GPS/INS组合导航中时间延迟软硬件补偿算法研究[J]. 杜瑾,李杰,罗丹瑶,邹坤,杨雁宇. 传感技术学报. 2016(12)
[4]GPS/INS紧耦合系统提高GPS失锁后解算精度的方法[J]. 洪海斌,郭杭,滕长胜,徐运广. 测绘科学. 2015(01)
[5]Cubature卡尔曼滤波与Unscented卡尔曼滤波估计精度比较[J]. 孙枫,唐李军. 控制与决策. 2013(02)
[6]基于ANFIS神经网络的GPS/INS组合导航信息融合[J]. 刘卓凡,杨凯,王加详,刘玉广. 计算机测量与控制. 2012(08)
[7]MEMS惯性器件误差系数的Allan方差分析方法[J]. 赵思浩,陆明泉,冯振明. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2010(05)
[8]一种单目视觉测距方法的研究[J]. 王小坤,贾庆轩,谭胜. 科技信息(学术研究). 2008(34)
[9]北斗卫星定位算法研究[J]. 廉保旺,赵楠,王永生. 西北工业大学学报. 2007(01)
博士论文
[1]GNSS兼容与互操作总体技术研究[D]. 刘卫.上海交通大学 2011
硕士论文
[1]基于高精细地图的GPS导航方法研究[D]. 贺勇.上海交通大学 2015
[2]载波相位差分动态定位的方法研究[D]. 王成.长安大学 2010
本文编号：3612102
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