室内TOF定位及惯性导航的组合导航系统研究

发布时间：2017-10-12 23:31

  本文关键词：室内TOF定位及惯性导航的组合导航系统研究

  更多相关文章： 导航小车 TOF定位 惯性导航 组合导航 卡尔曼滤波

【摘要】：基于TOF的无线定位技术和GPS技术一样属于非自主导航,其优点是不存在累积误差,但是易受外界干扰,如在强电磁环境、障碍物较多等环境下可靠性不高。惯性导航反应快,稳定性好,但是由于存在累积误差,无法单独进行长距离的导航,惯性导航属于一种自主式导航。单一的导航方法往往具有某些方面的缺点,本文将自主导航与非自主导航相结合,发挥各导航方式的优点,克服单一导航的不足,必然可以使室内导航更加准确与稳定,提高整体导航精度。本文对室内TOF定位及惯性导航技术的组合导航系统进行设计与实现,主要完成的工作如下:(1)针对室内组合导航系统采集数据的需要,设计了一个能够作为室内组合导航载体的导航小车。该导航小车速度可控、前进后退左转右转可控,能够通过远程遥控器和系统上位机软件对导航小车进行控制,并且该导航小车有一定的载重能力,能够运载导航系统的器件和计算机轻松行驶。该导航小车的设计制作能够作为室内组合导航系统的一部分,对于室内组合导航系统的数据采集和验证发挥了重要作用。(2)设计与制作室内组合导航系统的TOF定位和惯性导航部分,TOF定位模块通过测量基站与标签之间的距离然后利用定位算法对标签进行定位,惯性导航部分可以实时监控导航小车的运行姿态、行进方位和行驶速度等信息。本室内组合导航系统采用TOF定位和惯性导航的联合定位。(3)设计制作室内组合导航系统的上位机系统软件,系统上位机软件能够对导航小车、TOF定位模块和惯性导航进行控制,并且能够采集和显示导航小车、TOF定位模块和惯性导航的数据信息。对室内组合导航系统建立了卡尔曼滤波的状态方程和量测方程,并对采集到的数据进行了仿真验证,验证组合导航比单一的导航方式更加具有优势。
【关键词】：导航小车 TOF定位 惯性导航 组合导航 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN967.2
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究的背景及意义11-12
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意义12
• 1.2 组合导航国内外研究现状12-13
• 1.3 主要研究内容13-14
• 1.4 论文结构14-17
• 第2章 室内导航小车的设计17-27
• 2.1 室内导航小车整体架构17-18
• 2.2 室内导航小车硬件设计18-21
• 2.2.1 室内导航小车硬件选择18-19
• 2.2.2 导航小车硬件连接19-21
• 2.3 室内导航小车软件设计21-26
• 2.3.0 室内导航小车软件设计逻辑21-22
• 2.3.1 PLC内部资源使用概述22-23
• 2.3.2 室内导航小车程序控制的实现23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 基于TOF的室内定位27-39
• 3.1 室内定位的特点27-28
• 3.2 TOF测距概述28-30
• 3.2.1 测距分类28-29
• 3.2.2 TOF测距原理29-30
• 3.3 基于TOF技术的定位系统30-33
• 3.3.1 基于TOF定位系统的组成30-32
• 3.3.2 基于TOF定位系统的实际应用32
• 3.3.3 基于TOF定位系统的测距结果32-33
• 3.4 室内定位算法33-37
• 3.4.1 三边测量法33-34
• 3.4.2 三角测量法34-35
• 3.4.3 极大似然估计法35-37
• 3.5 TOF定位误差模型37-38
• 3.6 本章小结38-39
• 第4章 惯性导航系统39-51
• 4.1 惯性导航系统简介39
• 4.2 常用坐标系39-40
• 4.3 姿态矩阵解算40-45
• 4.3.1 方向余弦法41
• 4.3.2 欧拉角法41-42
• 4.3.3 四元数法42-43
• 4.3.4 姿态航位解算43-45
• 4.4 九自由度惯性导航45-48
• 4.4.1 九自由度惯性导航硬件组成45-46
• 4.4.2 九自由度惯性导航软件设计46-47
• 4.4.3 显示结果47-48
• 4.5 惯导系统的误差模型分析48-50
• 4.5.1 陀螺仪误差模型49
• 4.5.2 加速度计误差模型49-50
• 4.5.3 位置误差模型50
• 4.6 本章小结50-51
• 第5章 导航系统软件设计和卡尔曼滤波51-69
• 5.1 系统软件整体设计51-56
• 5.1.1 系统软件整体架构51-52
• 5.1.2 系统软件界面52-53
• 5.1.3 串口通信的实现53-56
• 5.2 系统软件对子系统的控制56-58
• 5.2.1 系统软件对命令路由的控制56-57
• 5.2.2 系统软件对导航小车的控制57-58
• 5.2.3 系统软件对惯性导航的控制58
• 5.3 系统软件结果58-59
• 5.4 卡尔曼滤波基本原理59-61
• 5.4.1 卡尔曼滤波概述59
• 5.4.2 卡尔曼滤波基本方程59-61
• 5.5 组合导航系统卡尔曼滤波器设计61-64
• 5.5.1 组合导航系统的特点61-62
• 5.5.2 卡尔曼滤波器设计框图62
• 5.5.3 状态方程62-63
• 5.5.4 量测方程63-64
• 5.6 仿真实验64-66
• 5.7本章小结66-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-77
• 在学期间主要科研成果77

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本文编号：1021569