微惯性测量单元/单目视觉/地磁定位定向算法研究
发布时间：2021-06-23 06:31
无卫星信号条件下的多传感器的定位定向问题逐渐成为近些年来的研究热点。随着微机械技术的发展,MEMS-IMU在性能提高的同时,体积、成本也在不断降低,因此得到了广泛的应用。磁传感器可以根据地磁场自身的特性有效确定航向角,但却有易受电磁干扰的缺陷之处。单目相机可获得丰富的图像信息,但却存在着尺度不确定的缺陷。本课题使用MEMS-IMU、磁传感器、单目相机这三种传感器设计组合导航系统,实现在无卫星信号下的室内外环境的导航任务。本文主要的研究内容如下:对系统所涉及的坐标系进行了明确定义,介绍了本课题用到的坐标系以及三种姿态表示方法,进行优缺点分析;建立了IMU的测量模型和单目相机的针孔模型;给出了导航系统设计的整体方案。基于梯度下降法设计了一种IMU和磁传感器的姿态融合算法,有效的解决了单独使用陀螺仪进行姿态更新时精度不高及长时间工作的发散问题;针对运动加速度对姿态融合算法解算精度的影响,设计了两种自适应算法。基于滑动窗口优化的方法对组合导航算法进行设计。在系统前端使用了Harris角点检测+LK光流法进行图像处理;使用纯视觉SFM的方式进行视觉初始化,通过预积分的方式进行IMU初始化,通过对...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
导航技
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-13-图2-5(1)STIM300微惯性测量单元但单独使用时误差会逐渐累积使导航定位精度较低，长时间测量后误差很大，因此减小姿态解算误差是提高精度的关键。通常在惯性导航姿态更新中采用陀螺仪的输出信息，但较低精度的陀螺仪，其积分结果误差很大，因此考虑用加速度计和磁传感器修正用陀螺仪输出更新姿态时的误差。本课题选用型号为HMR2300的磁传感器，如图2-6所示：图2-6HMR2300磁传感器但由于环境中可能存在较多的磁场干扰，无周边磁场建模的情况下测得的磁场数据精度较低。可以加权利用不同传感器的信息，将加速度计、磁传感器和陀螺仪的输出进行姿态融合。在工作环境允许的情形下，如类似于室内的足够亮度且无遮挡的场地中，引入单目相机与IMU融合进行工作可以增进导航的精度。一方面，相机提供了丰富的环境信息，可构建三维模型、运动恢复和识别已访问的地点；另一方面，IMU提供了自身运动状态信息，可以恢复单目视觉的尺度信息，估计重力方向，提供可视的绝对俯仰和滚动信息。二者的互补性使得它们融合后可获得更高精度和更好的系统鲁棒性。本课题采用小觅双目摄像头标准版进行融合算法测试，该设备包括两个视觉单目相机和一个六轴IMU组成，如图2-7所示：图2-7小觅相机图片
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-13-图2-5(1)STIM300微惯性测量单元但单独使用时误差会逐渐累积使导航定位精度较低，长时间测量后误差很大，因此减小姿态解算误差是提高精度的关键。通常在惯性导航姿态更新中采用陀螺仪的输出信息，但较低精度的陀螺仪，其积分结果误差很大，因此考虑用加速度计和磁传感器修正用陀螺仪输出更新姿态时的误差。本课题选用型号为HMR2300的磁传感器，如图2-6所示：图2-6HMR2300磁传感器但由于环境中可能存在较多的磁场干扰，无周边磁场建模的情况下测得的磁场数据精度较低。可以加权利用不同传感器的信息，将加速度计、磁传感器和陀螺仪的输出进行姿态融合。在工作环境允许的情形下，如类似于室内的足够亮度且无遮挡的场地中，引入单目相机与IMU融合进行工作可以增进导航的精度。一方面，相机提供了丰富的环境信息，可构建三维模型、运动恢复和识别已访问的地点；另一方面，IMU提供了自身运动状态信息，可以恢复单目视觉的尺度信息，估计重力方向，提供可视的绝对俯仰和滚动信息。二者的互补性使得它们融合后可获得更高精度和更好的系统鲁棒性。本课题采用小觅双目摄像头标准版进行融合算法测试，该设备包括两个视觉单目相机和一个六轴IMU组成，如图2-7所示：图2-7小觅相机图片
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于地磁导航的磁空间模拟技术研究[J]. 宋新昌,王晓峰. 舰船电子工程. 2019(03)
[2]基于梯度下降的自适应姿态融合算法[J]. 陈卓,任久春,朱谦. 传感器与微系统. 2019(03)
[3]基于自适应加权算法的WLAN/MARG/GPS组合定位系统[J]. 刘兴川,吴振锋,林孝康. 清华大学学报(自然科学版). 2013(07)
[4]水下地磁/惯性组合导航试验分析[J]. 穆华,吴志添,吴美平. 中国惯性技术学报. 2013(03)
[5]地磁场资源在匹配制导中的应用研究[J]. 李素敏,张万清. 制导与引信. 2004(03)
硕士论文
[1]风管机器人同时定位与地图创建方法研究[D]. 贺博.湖南大学 2016
[2]坐标转换系统的设计与实现[D]. 李岳.中国地质大学（北京） 2010
本文编号：3244432
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
导航技
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-13-图2-5(1)STIM300微惯性测量单元但单独使用时误差会逐渐累积使导航定位精度较低，长时间测量后误差很大，因此减小姿态解算误差是提高精度的关键。通常在惯性导航姿态更新中采用陀螺仪的输出信息，但较低精度的陀螺仪，其积分结果误差很大，因此考虑用加速度计和磁传感器修正用陀螺仪输出更新姿态时的误差。本课题选用型号为HMR2300的磁传感器，如图2-6所示：图2-6HMR2300磁传感器但由于环境中可能存在较多的磁场干扰，无周边磁场建模的情况下测得的磁场数据精度较低。可以加权利用不同传感器的信息，将加速度计、磁传感器和陀螺仪的输出进行姿态融合。在工作环境允许的情形下，如类似于室内的足够亮度且无遮挡的场地中，引入单目相机与IMU融合进行工作可以增进导航的精度。一方面，相机提供了丰富的环境信息，可构建三维模型、运动恢复和识别已访问的地点；另一方面，IMU提供了自身运动状态信息，可以恢复单目视觉的尺度信息，估计重力方向，提供可视的绝对俯仰和滚动信息。二者的互补性使得它们融合后可获得更高精度和更好的系统鲁棒性。本课题采用小觅双目摄像头标准版进行融合算法测试，该设备包括两个视觉单目相机和一个六轴IMU组成，如图2-7所示：图2-7小觅相机图片
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-13-图2-5(1)STIM300微惯性测量单元但单独使用时误差会逐渐累积使导航定位精度较低，长时间测量后误差很大，因此减小姿态解算误差是提高精度的关键。通常在惯性导航姿态更新中采用陀螺仪的输出信息，但较低精度的陀螺仪，其积分结果误差很大，因此考虑用加速度计和磁传感器修正用陀螺仪输出更新姿态时的误差。本课题选用型号为HMR2300的磁传感器，如图2-6所示：图2-6HMR2300磁传感器但由于环境中可能存在较多的磁场干扰，无周边磁场建模的情况下测得的磁场数据精度较低。可以加权利用不同传感器的信息，将加速度计、磁传感器和陀螺仪的输出进行姿态融合。在工作环境允许的情形下，如类似于室内的足够亮度且无遮挡的场地中，引入单目相机与IMU融合进行工作可以增进导航的精度。一方面，相机提供了丰富的环境信息，可构建三维模型、运动恢复和识别已访问的地点；另一方面，IMU提供了自身运动状态信息，可以恢复单目视觉的尺度信息，估计重力方向，提供可视的绝对俯仰和滚动信息。二者的互补性使得它们融合后可获得更高精度和更好的系统鲁棒性。本课题采用小觅双目摄像头标准版进行融合算法测试，该设备包括两个视觉单目相机和一个六轴IMU组成，如图2-7所示：图2-7小觅相机图片
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于地磁导航的磁空间模拟技术研究[J]. 宋新昌,王晓峰. 舰船电子工程. 2019(03)
[2]基于梯度下降的自适应姿态融合算法[J]. 陈卓,任久春,朱谦. 传感器与微系统. 2019(03)
[3]基于自适应加权算法的WLAN/MARG/GPS组合定位系统[J]. 刘兴川,吴振锋,林孝康. 清华大学学报(自然科学版). 2013(07)
[4]水下地磁/惯性组合导航试验分析[J]. 穆华,吴志添,吴美平. 中国惯性技术学报. 2013(03)
[5]地磁场资源在匹配制导中的应用研究[J]. 李素敏,张万清. 制导与引信. 2004(03)
硕士论文
[1]风管机器人同时定位与地图创建方法研究[D]. 贺博.湖南大学 2016
[2]坐标转换系统的设计与实现[D]. 李岳.中国地质大学（北京） 2010
本文编号：3244432
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