惯性与磁传感器组合航向估计方法研究

发布时间：2020-06-21 08:12

【摘要】：航向角、俯仰角及横滚角均为航姿参数,它们构成一组欧拉角,完整描述了载体航姿状态。航姿参数广泛应用于导航、动作跟踪、虚拟现实、辅助驾驶等诸多领域。MEMS陀螺、MEMS加速度计及AMR磁传感器凭借体积小、功耗小、成本低等优点成为在各种应用中实现航姿参数估计的常用传感器。本文从陀螺随机误差补偿、三轴磁传感器标定以及航向估计算法等方面研究惯性与磁传感器组合航向估计方法。论文创新工作主要包括以下三个方面。1)实现了一种与非线性模型结合的新型风险敏感无迹卡尔曼滤波器算法。风险敏感无迹卡尔曼滤波具有较强的鲁棒性,非线性模型可实现误差参数在线估计,具有较强的自适应性。为将两者相结合,应用增广状态向量方法将非加性噪声列为状态变量,应用噪声方差阵计算噪声Sigma点,完成时间更新UT变换;为提高算法数值稳定性,在计算过程中引入QR分解与乔累斯基因子更新技术实现方差阵平方根因子的更新计算:此外,为提高算法灵活性,在风险敏感更新中将风险因子扩展为矩阵形式。在实验中应用不同模型与滤波器组合形式处理陀螺随机误差,实验结果表明:新型风险敏感无迹卡尔曼滤波器算法与非线性模型结合使用,有效改善了MEMS陀螺随机误差的补偿效果。2)提出了一种基于误差参数几何意义的等效两步标定方法。磁传感器标定是地磁测量中补偿各种确定性误差,提升测量精度的必要手段。为实现独立完整标定提出了等效两步法,内容包括:将测量畸变效果等效为依次进行的坐标变换,基于误差参数的几何意义将标定过程分为等效传感器标定与等效非对准标定;分别应用标量法与主成分分析方法完成等效传感器标定与等效非对准标定,并针对符号错误与标定轴不正交问题提出了符号修正与正交修正方法。实验结果表明:在无需航姿参考与辅助传感器条件下,等效两步法实现了三轴磁传感器独立完整标定。3)在组合航向估计算法中构建了基于载体状态的航向稳定量测方程,并改进了算法量测更新方式。基于传感器信息融合的航向估计算法应对环境磁干扰的传统策略是,当干扰发生时降低磁传感器量测权重,这将使航向估计时间更新值失去有效修正,不利于保持航向估计的准确性。针对这一问题,利用载体状态特征构建了航向稳定量测方程。内容包括:推导航向稳定量测方程的两种形式,并采用第一种形式改进航向估计算法:为描述载体状态,通过分析不同传感器信号间相关性构建载体状态表征变量。通过仿真与实验分析载体状态表征变量及航向稳定量测方程的应用效果与特点。在传统算法中,磁干扰可通过量测更新影响姿态参数估计值。为此,在研究中将量测更新分为两步进行,在第二步中单独处理磁传感器量测更新,并在更新后依据姿态不变条件恢复姿态估计值。实验结果表明:航向稳定量测方程可与磁传感器量测方程结合使用,在磁干扰发生时继续发挥航向修正作用;改进量测更新方式可以消除包括磁干扰在内的不准确地磁测量信息对姿态估计的影响,两者有效增强了组合航向估计算法的抗磁干扰能力。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TN967.2
【图文】：

论文研究,目的,航向

航向估计应用广泛，综合考虑成本与估计效果等因素，应用惯性与磁传逡逑感器实现航向估计具有较高的性价比。本文研宄ＭＥＭＳ陀螺随机误差补偿方逡逑法及组合估计算法有助于更准确描述航姿状态的动态变化过程；研究磁传感逡逑器标定方法并校正测量信号可以为航向估计提供更准确的绝对航向量测信逡逑息；针对环境磁干扰问题研宄增强航向估计应对磁干扰能力的方法可以提高逡逑航向估计算法的实用性，利用载体特点引入量测方程的做法也可为其它组合逡逑航向估计算法研究提供有益参考。图１－２概括了本文研究目的与意义。逡逑１．３研究现状逡逑ＭＥＭＳ陀螺误差包括确定性误差与随机误差。确定性误差是由陀螺受应逡逑用环境因素如加速度、角加速度、温度等影响产生的输出零偏［ＩＧ］。对于确定逡逑性误差，可利用输入输出数据建立误差与影响因素间定量关系，并据此进行逡逑误差补偿。也可使用参数估计方法实现输出零偏在线估计与补偿。陀螺随机逡逑、、、

航向,改进算法,论文,自适应

图１－３论文体系结构逡逑第五章：自适应航向估计改进算法。第一节应用惯性与磁传感器测量值逡逑以及应对磁干扰的传统策略构建一种基于卡尔曼滤波器的自适应组合航向估逡逑计算法。第二节对航向估计算法进行改进，改进措施包括构建航向稳定量测逡逑方程以及采用改进的量测更新方式。该节介绍航向稳定量测方程的两种形式、逡逑表征载体状态的方法以及改进量测更新方式的原理与实现步骤。第三节通过逡逑仿真与实验检验改进算法的性能，并对航向稳定量测方程及改进量测更新方逡逑式的特点进行深入分析。第四节总结本章内容。逡逑第六章：总结与展望。对论文主要研究工作进行总结，并提出关于进一逡逑步研究工作的设想。逡逑－９－逡逑

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