行人自主导航算法研究

发布时间：2020-05-23 16:35

【摘要】：导航是一个技术门类的总称,它是监测和引导人或机器等从一个位置移动到另一个位置的一种手段。不过基于GPS等卫星导航系统的弱点也很明显,其在城市楼宇、隧道、山林、地下建筑甚至一般建筑的室内等区域内,卫星的信号接收很差,这个时候以GPS为代表的有源导航就很难发挥出高效的导航作用。惯性导航有很多优点,比如它的自主性很好而且对于不理想的外界条件可以不被干扰,在比较复杂的导航环境中仍然能够持续更新位置以及姿态等导航信息。而且近年来,基于MEMS的捷联惯性技术有很大的突破进展,与一般的惯性元器件相比,其体积小、成本低、可靠性强且便于集成,可应用在行人自主导航研究。首先,基于惯性导航基本原理,完成惯导系统的初始对准、姿态更新、导航解算设计。对于位置、速度、姿态都有详细的推导,并对模型进行了误差分析。其次,在导航解算过程中,由于MEMS器件的精度较低,传感器存在漂移误差,航解算结果存在累积误差。本文采用零速修正算法对累积误差进行补偿,零速修正可分为零速检测与修正两个部分。本文对于零速检测进行了深入研究,实现了基于随机森林算法的多步态运动情况下自适应零速检测;零速时刻的修正是基于传统卡尔曼滤波的误差估计,估算出这一时刻位置误差、速度误差、姿态角误差的值,从而进一步实现误差补偿,提高导航定位精度。最后,在行人自主导航算法中,由于天向陀螺漂移误差较大,导航定位过程中航向角发散严重。所以在零速修正的基础上,进一步设计实现在启发式航向修正算法基础上改进实现的基于主方向的航向修正算法,以此来提高航向估计的精度。在本次算法研究的基础上,本文进行了该算法下导航系统实验分析,通过实验的验证,在多步态运动情况下,该系统误差达到收敛状态,定位精度良好。
【图文】：

航海图,技术卫星,导航系统,士兵

1.1 课题背景与研究意义人类最初的导航只能依靠树木、山脉、太阳、星辰等来判断方位，后来中国四大发明之一的指南针问世，在人类导航历史上具有里程碑式的意义；后来，四分仪、测绘仪、地球仪、航海图逐渐用来实现导航功能，这些导航装备可以提供了航向、航速，但是却无法很好地完成定位功能。20 世纪 90 年代，随着经济以及科学技术的发展，美国投入完成部署全天候、高精度、具有全球极高覆盖率的全球卫星定位系统(GPS)，其高精度的定位能力极大方便了人们的出行[1]。除了美国的 GPS 系统，中国的北斗系统，俄罗斯的全球卫星导航系统，欧洲的伽利略卫星导航系统等卫星导航系统的发展也极为迅速[2]。目前，基于已经成熟的卫星定位系统构建了很多行人导航系统，可以满足士兵作战、抗灾救援、野外冒险及日常出行的方便。其中，在军事领域的行人导航系统做的比较好，最为经典的有：美国的“陆地勇士”系统、英国的“未来一体化士兵”技术、德国的“IDZ”系统、法国的“FELIN”系统[3]。我国的行人导航系统也有重大进展，已经研制成熟的有“龙族战士”，其卫星导航系统用的是我国的北斗导航系统。

地图,惯导,元器件,导航系统

图 1-2 微惯导元器件图基于 MIMS 的行人微惯性导航系统是一个重要的研究方向，该惯性导航系统首先由 MIMU 敏感脚步运动状态，在步行中获得原始惯性数据，，一方面利用加速度和角速度实时计算速度、位置、姿态信息；另一方面利用零速度检测及零速状态下卡尔曼滤波实时进行最优误差估计进行状态修正[7]。纯惯性导航系统的缺陷也很明显，由于惯性器件的漂移误差以及原始检测信号中的随机噪声及测量噪声的引入，随时间积累会越来越大，解决这一问题的方法有两个方向：一个方向是将惯性导航系统与其他形式的定位系统进行融合滤波处理来提高导航系统的精度。与惯性导航系统融合的定位系统有地磁定位，其磁传感器体积小、响应速度快、重量轻、抗高过载；视觉定位，分地图导航系统、地图的生成型导航系统和无地图的导航系统，其中光流法、基于部分特征的跟踪或者外观导航的方法是无地图的导航系统主要的研究方向；无线通信定位方如：基于 ZigBee 的定位、蓝牙定位、超宽带(Ultra Wideband, UWB)定位，其工作原理主要是对信号的收发和传输进行处理，结合对于定位算法实现组合导航；
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN96

【参考文献】