视觉惯性及卫星组合导航系统研究

发布时间：2017-06-14 09:01

  本文关键词：视觉惯性及卫星组合导航系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,低成本微机械惯性导航系统在消费电子领域,特别是在旋翼式飞行器、相机稳定平台、虚拟现实及增强现实设备中得到了越来越广泛的应用。为了满足市场需求,实现低成本微机械陀螺仪的批量化生产,现阶段市场中微机械惯性器件的主要材料为硅。但硅基微机械惯性器件的输出噪声大,零偏易受环境温度影响,故而由其构成的导航系统仅能提供姿态信息,无法给出定位测速信息。卫星导航系统与单目视觉导航系统则分别能在室外与室内完成定位测速任务,但受导航系统尺寸等因素限制,无法进行姿态测量。本文以低成本微机械惯性、卫星及视觉导航系统为基础,设计组合导航算法,实现室内及室外环境的组合导航系统。本文的主要研究内容和取得的成果概述如下:1.建立姿态估计系统坐标系,推导坐标变换关系;推导微机械惯性器件输出模型,并结合该模型给出利用三轴转台进行标度因数、零偏以及安装误差矩阵的标定方法;结合离散扩展卡尔曼滤波器原理,以姿态四元数为状态变量,姿态角为观测值设计姿态估计算法;设计并完成微机械姿态估计及卫星定位系统硬件及软件,并给出系统测试结果。2.建立单目视觉定位系统坐标系,推导坐标变换关系;推导相机模型并给出标定方法;结合OpenCV及ArUco,给出平面编码标识物的识别和校验方法;设计相机位置、姿态估计算法,结合实际硬件完成视觉定位系统,并给出系统测试结果。3.根据低成本导航系统特性,提出统一组合导航滤波器模型,并以该模型为基础,设计实现了微机械惯性卫星组合导航系统、微机械惯性视觉组合导航系统和微机械惯性卫星视觉组合导航系统,并分别对各系统进行了静态或动态测试。4.根据微机械惯性传感器输出模型,结合相应姿态估计算法,实现硬件仿真系统;利用微机械姿态估计及卫星定位系统和视觉定位系统,在所设计的实验方法指导下,采集原始数据,并根据设计完成的组合导航算法,利用计算机进行数据处理,分析算法性能。
【关键词】：微机械惯性传感器 视觉导航 卫星导航 组合导航 卡尔曼滤波
【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】：2016
【分类号】：TN967.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 微机械惯性器件11-13
• 1.2.2 视觉导航13-14
• 1.2.3 多信息组合导航14-15
• 1.3 本文主要研究内容15-18
• 第2章 微机械姿态估计及卫星定位系统18-38
• 2.1 引言18
• 2.2 坐标系定义及坐标变换关系18-21
• 2.2.1 坐标系定义18-19
• 2.2.2 坐标变换关系19-21
• 2.3 微机械惯性器件输出模型及标定方法21-27
• 2.3.1 微机械陀螺仪输出模型21-22
• 2.3.2 微机械陀螺仪标定方法22-24
• 2.3.3 微机械加速度计输出模型24-25
• 2.3.4 微机械加速度计标定方法25-27
• 2.4 卡尔曼滤波与姿态估计算法27-31
• 2.4.1 扩展卡尔曼滤波27-28
• 2.4.2 姿态估计算法28-31
• 2.5 卫星导航系统31-32
• 2.6 微机械姿态估计及卫星定位系统设计与实现32-35
• 2.6.1 系统硬件设计与实现32-34
• 2.6.2 系统软件设计与实现34-35
• 2.7 系统测试结果35-37
• 2.7.1 微机械惯性器件标定结果35-36
• 2.7.2 静态卫星导航测试结果36
• 2.7.3 静态姿态估计测试结果36-37
• 2.8 本章小结37-38
• 第3章 视觉导航系统设计及实现38-54
• 3.1 引言38
• 3.2 坐标系定义及坐标变换关系38-42
• 3.2.1 坐标系定义38-41
• 3.2.2 坐标变换关系41-42
• 3.3 单目相机模型及标定42-45
• 3.3.1 小孔成像模型42-43
• 3.3.2 单目相机标定原理及方法43-45
• 3.4 视觉导航原理45-52
• 3.4.1 标识物选取45-46
• 3.4.2 标识物识别方法46-49
• 3.4.3 相机位置姿态估计算法49-52
• 3.5 系统测试结果52-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第4章 视觉惯性及卫星组合导航算法研究54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 统一组合导航滤波器模型54-59
• 4.2.1 状态变量及观测变量选取54-55
• 4.2.2 位置速度加速度估计算法55-56
• 4.2.3 组合姿态估计算法56-59
• 4.3 微机械惯性卫星组合导航系统算法59-61
• 4.3.1 组合导航滤波器59-61
• 4.3.2 观测信息来源61
• 4.4 微机械惯性视觉组合导航系统算法61-63
• 4.4.1 组合导航滤波器61
• 4.4.2 观测信息来源61-63
• 4.5 微机械惯性卫星及视觉组合导航系统算法63-65
• 4.5.1 空间坐标系统一63-64
• 4.5.2 组合导航滤波器64-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第5章 组合导航系统仿真及测试66-82
• 5.1 引言66
• 5.2 微机械姿态估计系统仿真66-70
• 5.2.1 仿真模型66-68
• 5.2.2 仿真测试及结果68-70
• 5.3 微机械惯性卫星组合导航系统测试结果70-74
• 5.4 微机械惯性视觉组合导航系统测试结果74-78
• 5.5 微机械惯性卫星及视觉组合导航系统测试结果78-81
• 5.6 本章小结81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文88-90
• 致谢90

  本文关键词：视觉惯性及卫星组合导航系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：449008