CN101571395B - 微小型惯性组合导航参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种微小型惯性组合导航参数测量方法。它包括正六面体外壳，在正六面体外壳的三个相交的面的四个顶点处安装有9个加速度计、而且每个面上各有3个加速度计，一个没有安装加速度计的面为电源模块背板，电源模块背板上上叠加PC104主板、AD转换板、数字罗经和GPS接收板，各加速度计输出的模拟信息，经A/D转换板转换变成数字信号后输入PC104对采样数据进行预处理，再利用角运动和线运动参数的解算方法解算出角速度、角加速度和线加速度，GPS接收模块输出的导航定位参数和数字罗经输出的航姿参数输入到PC104中，辅助加速度计测量信息进行舰位推算。用于测量运动载体的角速度、线加速度、位置、速度、航向和水平倾角。

Description

微小型惯性组合导航参数测量方法 

(一)技术领域

本发明涉及的是一种导航定位参数测量装置，具体地说是一种用于测量运动载体的角速度、线加速度、位置、速度、航向和水平倾角的测量装置。本发明也涉及一种导航定位参数测量方法。 

(二)背景技术

惯性测量单元是运动载体中测量加速度和角速度的主要装置，根据其测量值推算载体的导航定位参数，是实现惯性导航的必要设备。目前应用的微小型惯性测量单元均由硅微陀螺仪和硅微加速度计构成^[1-11]，陀螺仪用于测量载体的角速度、加速度计用于测量载体的线加速度。通常采用敏感轴相互垂直安装的三个单轴陀螺仪和敏感轴相互垂直安装的三个单轴加速度计。 

这些惯性测量单元，均要求惯性器件的空间距离达到最小(理想的情况是检测同一质点的线运动和角运动参数)。此类微小型惯性测量单元的缺点是硅微陀螺仪的精度低，只能通过相应的算法形成航姿基准，不能形成导航系统使用。并且，由于硅微陀螺仪的物理机理复杂，其精度难以在短期内得到提高，限制了其应用范围。 

由于微机械加速度计的精度相对较高，其固有的物理约束较微机械陀螺的少，其精度的提高有较大的潜力，因此，国内外学者在基于线加速度计的惯性导航系统方面开展了许多研究工作。目前的研究内容主要集中在加速度计配置方案的研究以及相应角速度的优化算法等，还没有应用方面的报道。1982年，Shmuel J.Merhav在前人的基础上进一步论述了从加速度计的输出信号中分离线加速度和角加速度的方法^[13]。1994年J.Chen提出了一种六个加速度计的立方体配置^[14]，六加速度计方案才得以实现；随后Sou-Chen Lee在Jeng-Heng Chen的基础上给出了利用六个加速度计测量物体的旋转运动的解法^[15]。2005年，Sungsu Park和Chin-Woo Tan等提出了一种新的配置方案，即在立方体的中心增加三个冗余加速度计，用于对角速度的观测和估计^[16]。目前的角速度解算方法主要有开方解法和角加速度的积分方法，前者需要判断符号，后者存在误差累积。2009年，吴俊伟 等对一种九加速度计配置的微小型惯性测量装置进行了分析和设计^[12]，该装置只能测量角速度、角加速度和线加速度信息，不能输出导航定位参数和航姿参数。 

与本发明相关的公开文献包括： 

[1]专利号ZL 2006 10011562.1，授权公告号CN 100381785C  一种微小型惯性测量单元； 

[2]申请号200510042684.2，公开号CN 1865853A微机械-电子系统技术惯性测量单元； 

[3]申请号200510042795.3，公开号CN 1877258A数字式惯性测量单元； 

[4]申请号200710063635.6，公开号CN 101038173A一种隐式结构微型惯性测量单元； 

[5]申请号200710022445.x，公开号CN 101059384A一种捷联惯性测量单元及安装误差标定方法； 

[6]United States Patent Application 20080208501，Method For Determining andCorrecting Incorrect Orientations and Offsets of the Sensors of an InertialMeasurement Unit in a Land Vehicle； 

[7]United States Patent Application 20080154495，Inertial Measurement Unitfor Aircraft； 

[8]United States Patent Application 20070032951，Miniaturized InertialMeasurement Unit and Associated Methods； 

[9]United States Patent Application 20020183958，CORE INERTIALMEASUREMENT UNIT； 

[10]United States Patent Application 20020065626，Micro inertial measurementunit； 

[11]United States Patent Application 20020011106，Compact inertialmeasurement unit； 

[12]申请号200910071447.7，一种微小型惯性测量装置； 

[13]Shmuel J.Merhav.A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit.Journal ofGuidance.1982，5(3)：227-235P； 

[14]Jeng-Heng Chen，S.C.Lee，Daniel B.Gyroscope Free Strapdown InertialMeasurement Unit by Six Linear Accelerometers.Journal of Guidance，Control and Dynamics.1994，17(2)：286-290P； 

[15]Sou-Chen Lee，Cheng-Yu Liu.An Innovative Estimation Method withOwn-ship Estimator for an All Accelerometer-type Inertial NavigationSystem.International Journal of Systems Science.1999，30(12)：1259-1266P； 

[16]Sungsu Parka，Chin-Woo Tan，Joohyuk Park.A scheme for improving theperformance of a gyroscope-free inertial measurement unit.Sensors andActuators，2005：410-420P。 

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高导航定位参数和航姿参数的微小型惯性组合导航参数测量装置。本发明的目的还在于提供一种基于微小型惯性组合导航参数测量装置的测量方法。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明的微小型惯性组合导航参数测量装置的组成包括正六面体外壳，在正六面体外壳的三个相交的面的四个顶点处安装有9个加速度计、而且每个面上各有3个加速度计，一个没有安装加速度计的面为电源模块背板，电源模块背板上上叠加PC104主板、AD转换板、数字罗经和GPS接收板，各加速度计输出的模拟信息，经A/D转换板转换变成数字信号后输入PC104对采样数据进行预处理，再利用角运动和线运动参数的解算方法解算出角速度、角加速度和线加速度，GPS接收模块输出的导航定位参数和数字罗经输出的航姿参数输入到PC104中，辅助加速度计测量信息进行舰位推算。 

加速度计的测量轴均沿坐标轴，其中六个加速度计安装在距坐标系原点10厘米处，三只加速度计安装于坐标系原点处；数字罗经和GPS接收板输出的信息分别通过RS232串口与PC104主板联接；测量装置解算出的导航定位参数经RS232串口输出。 

本发明的基于微小型惯性组合导航参数测量装置的测量方法是：各加速度计输出的模拟信息，经A/D转换后变成数字信号，PC104对数字信号进行预处理，再利用所建立的角运动和线运动参数的解算方法，解算出角速度、角加速度和线加速度；GPS接收模块输出的导航定位参数和数字罗经输出的航姿参数输入到PC104中，辅助加速度计测量信息进行舰位推算。 

所述的角运动和线运动参数的解算方法为： 

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)-{\mathrm{\ω}}_x(t-1){\mathrm{\ω}}_y(t-1)+{\mathrm{\Δt}}^2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right){\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)}$

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)-{\mathrm{\ω}}_y(t-1){\mathrm{\ω}}_z(t-1)+{\mathrm{\Δt}}^2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right){\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)}$

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)-{\mathrm{\ω}}_x(t-1){\mathrm{\ω}}_z(t-1)+{\mathrm{\Δt}}^2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right){\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)}$

${\stackrel{\widehat{\·\·}}{R}}_{\mathrm{ox}}=A_7$

${\stackrel{\widehat{\·\·}}{R}}_{\mathrm{oy}}=A_8$

${\stackrel{\widehat{\·\·}}{R}}_{\mathrm{oz}}=A_9$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x=\frac{A_5+A_9-A_1-A_4}{2l}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y=\frac{A_3+A_8-A_4-A_7}{2l}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z=\frac{A_2+A_6-A_1-A_7}{2l}$

${\mathrm{\ω}}_x{\mathrm{\ω}}_y=\frac{A_2+A_7-A_1-A_6}{2l}$

${\mathrm{\ω}}_y{\mathrm{\ω}}_z=\frac{A_1+A_5-A_4-A_9}{2l}$

${\mathrm{\ω}}_x{\mathrm{\ω}}_z=\frac{A_4+A_8-A_3-A_7}{2l}$

各变量的物理意义： 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)：载体相对惯性空间的角速度在在体系上的分量； 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)的解算值； 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)相对时间的变化率； 

坐标系原点处的比力在载体坐标系上的分量； 

的计算值； 

A_i(i＝1，2，…，9)：加速度计的测量值。 

利用上面得到的角速度和线加速度信息，采用“捷联惯导式平台罗经”的工 作原理，解算出导航定位参数，即水平上以地理坐标系相对惯性空间的角速度跟踪水平面，方位上以罗经原理跟踪子午线。 

数字罗经和GPS的输出信息作为外观测信息，利用卡尔曼滤波算法对基于加速度测量信息的导航定位参数误差进行估计和修正。 

所述的预处理是对原始数据进行奇点剔除和数据平滑。 

本发明的有益效果主要体现在：扩展硅微加速度计的应用范围；克服硅微陀螺精度低的缺点；用加速度的测量信息解算角速度；GPS输出的导航定位参数和数字罗经输出的航姿参数辅助加速度计测量信息进行舰位推算，提高导航定位参数和航姿参数的精度。用于测量运动载体的角速度、线加速度、位置、速度、航向和水平倾角。 

(四)附图说明

图1是本发明的微小型惯性组合导航参数测量装置的装配结构示意图； 

图2是本发明的微小型惯性组合导航参数测量装置的连接结构示意图。 

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 

(1)惯性组合测量装置安装方案 

结合图1和图2，微小型惯性组合导航参数测量装置的组成包括正六面体外壳，在正六面体外壳的三个相交的面的四个顶点处共安装有9个加速度计、而且每个面上各有3个加速度计，一个没有安装加速度计的面为电源模块背板，电源模块背板上叠加PC104主板、AD转换板、数字罗经和GPS接收板，各加速度计输出的模拟信息，经A/D转换板转换变成数字信号后输入PC104对采样数据进行预处理，再利用角运动和线运动参数的解算方法解算出角速度、角加速度和线加速度，GPS接收模块输出的导航定位参数和数字罗经输出的航姿参数输入到PC104中，辅助加速度计测量信息进行舰位推算。 

外壳形状为正六面体，用硬质铝合金制成，内壳表面由PCB板构成。将加速度计贴装在PCB板上，PCB板嵌装在正六面体框架上。加速度计的测量轴均沿坐标轴，其中六个加速度计安装在距坐标系原点10厘米处，三只加速度计安装于坐标系原点处。 

各PCB板的用途： 

EHGF面板上贴装加速度计2、加速度计8和加速度计3，CDHG面板上贴装加速度计6、加速度计9和加速度计1，BCGF面板上贴装加速度计5、加速度计7和加速度计4；ABFE面板为电源板(电源模块背板)，其上叠加PC104主板、AD转换板、数字罗经和GPS接收板的背板。 

数据处理系统采用PC104系统，用于导航方程的解算及各种数据处理。 

PC104主板采用高紧凑的PC104结构形式，支持PC104总线，单5V供电，工作频率500MHZ，在板标贴256M RAM，四个串口(其中2个RS232串口，2个RS232/422/485可选)，一个CF卡接口，在板电池保持实时时钟。 

AD转换板是一个基于PC104的扩展板，其主要功能是数采集，通过总线可与PC104Q嵌入式系统构成一个高性能的数据采集与控制系统。其主要特点是：16路单端/8路差分输入，16位分辨率，200KHZ最大A/D采样率，量程0～+10V、+/-5V、+/-10V双极性或单极性输入量程及其1、2、4、8倍的可编程增益，1024个数据深度的FIFO，具有软件、外部TTL和定时器触发方式，数据传输有I/O查询、中断和DMA方式。 

电源：外输入电压24V；内部2个电源模块，1块24V→5V，一块24V→9-12V。 

加速度计的输出为模拟单端，输出电压范围：0～5伏。 

数字罗经用于测量航姿信息，同时作为加速度计惯性测量单元的外观测信息，其航向精度0.5°，水平精度0.3°. 

GPS接收模块输出的水平位置精度2.5m，速度精度0.1m/s，航向精度0.5°，最大导航更新速率4Hz。 

所述的角运动和线运动参数的解算方法为： 

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)-{\mathrm{\ω}}_x(t-1){\mathrm{\ω}}_y(t-1)+{\mathrm{\Δt}}^2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right){\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)}$

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)-{\mathrm{\ω}}_y(t-1){\mathrm{\ω}}_z(t-1)+{\mathrm{\Δt}}^2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right){\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)}$

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_y\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_y\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_y\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)\mathrm{\Δt}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right)}{{\mathrm{\ω}}_x\left(t\right){\mathrm{\ω}}_z\left(t\right)-{\mathrm{\ω}}_x(t-1){\mathrm{\ω}}_z(t-1)+{\mathrm{\Δt}}^2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x\left(t\right){\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z\left(t\right)}$

${\stackrel{\widehat{\·\·}}{R}}_{\mathrm{ox}}=A_7$

${\stackrel{\widehat{\·\·}}{R}}_{\mathrm{oy}}=A_8$

${\stackrel{\widehat{\·\·}}{R}}_{\mathrm{oz}}=A_9$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_x=\frac{A_5+A_9-A_1-A_4}{2l}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_y=\frac{A_3+A_8-A_4-A_7}{2l}$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_z=\frac{A_2+A_6-A_1-A_7}{2l}$

${\mathrm{\ω}}_x{\mathrm{\ω}}_y=\frac{A_2+A_7-A_1-A_6}{2l}$

${\mathrm{\ω}}_y{\mathrm{\ω}}_z=\frac{A_1+A_5-A_4-A_9}{2l}$

${\mathrm{\ω}}_x{\mathrm{\ω}}_z=\frac{A_4+A_8-A_3-A_7}{2l}$

各变量的物理意义： 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)：载体相对惯性空间的角速度在在体系上的分量； 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)的解算值； 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)相对时间的变化率； 

坐标系原点处的比力在载体坐标系上的分量； 

的计算值； 

A_i(i＝1，2，…，9)：加速度计的测量值。 

利用上面得到的角速度和线加速度信息，采用“捷联惯导式平台罗经”的工作原理，解算出导航定位参数，即水平上以地理坐标系相对惯性空间的角速度跟踪水平面，方位上以罗经原理跟踪子午线。 

数字罗经和GPS的输出信息作为外观测信息，利用卡尔曼滤波算法对基于加速度测量信息的导航定位参数误差进行估计和修正。 

数据处理系统软件应用C语言对系统模型及其解算方程进行模块化设计与实现；应用软件的功能包括在实现系统模型和及其解算方程之前的数据预处理、之后的误差的估计与补偿、数字罗经和GPS输出信息的读取、导航信息的组合滤波算法等。 

加速度计测量信息的采集程序：AD板的初始化、加速度计输出原始信息的采集及其预处理。 

数字罗经输出信息的读取程序：RS232串口的初始化、数字罗经输出航姿信息的读取及其NMEA通讯格式的处理与转换。 

GPS接收模块输出的导航定位信息的读取程序：RS232串口的初始化、GPS输出的导航定位信息的读取及其NMEA通讯格式的处理与转换。 

数据预处理程序程序：对原始数据进行奇点剔除和数据平滑。 

角速度解算程序：根据角速度的解算方法和数据预处理后的加速度计的输出信息解算出角速度信息。 

初始对准程序：利用数字罗经和GPS的观测信息、加速度计的测量信息得到所需精度的初始姿态矩阵。 

导航定位参数的解算程序：根据惯导式平台罗经的工作原理、利用加速度计的输出信息解算出导航定为参数。 

滤波算法程序：利用数字罗经和GPS的观测信息，采用卡尔曼滤波算法对基于加速度计的导航定为参数的误差就能行国际和补偿。 

Claims (2)

1.一种基于微小型惯性组合导航参数测量装置的测量方法，其特征是：各加速度计输出的模拟信息，经A/D转换后变成数字信号后输入PC104主板对采样数据进行预处理，再利用所建立的角运动和线运动参数的解算方法，解算出角速度、角加速度和线加速度；GPS接收模块输出的导航定位参数和数字罗经输出的航姿参数输入到PC104主板中，辅助加速度计测量信息进行舰位推算；

所述的角运动和线运动参数的解算方法为：

各变量的物理意义：

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)：载体相对惯性空间的角速度在体系上的分量； 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)的解算值； 

ω_x(t)，ω_y(t)，ω_z(t)相对时间的变化率；

坐标系原点处的比力在载体坐标系上的分量；

的计算值；

A_i(i＝1，2，…，9)：加速度计的测量值。

2.根据权利要求1所述的基于微小型惯性组合导航参数测量装置的测量方法，其特征是：所述的预处理是对原始数据进行奇点剔除和数据平滑。 

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