CN101793524B - 一种车载mimu输出信息解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及车载MIMU导航解算方法，具体是一种车载MIMU输出信息解算方法。解决了现有车载MIMU的导航解算方法导航解算精度较低的问题。一种车载MIMU输出信息解算方法，该方法是采用如下步骤实现的：(1)标定出车载MIMU中各加速度计与陀螺的杆臂长度；(2)标定出各陀螺受加速度影响的加速度敏感系数；(3)求出各加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动加速度；(4)求出各陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度。本发明通过对车载MIMU中加速度计和陀螺的输出信息中的各种信息成分进行具体分析，有效解决了现有车载MIMU的导航解算方法导航解算精度较低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及车载MIMU导航解算方法，具体是一种车载MIMU输出信息解算方法。
背景技术
车载MIMU(微惯性测量单元)因其具有成本低、体积小、质量轻、功耗小等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车等工业领域的惯性导航与定位。车载MIMU由加速度计和陀螺组成；应用时，通过对加速度计输出信息(运动加速度)和陀螺的输出信息(运动角速度)进行导航解算来进行惯性导航与定位；现有的车载MIMU导航解算方法主要为两类：一类采用GPS与微惯性导航系统组合来修正惯性敏感器件的输出值；另一类是在第一类方法的基础上采用滤波方法来提高车载MIMU的测量精度。众所周知，车载MIMU在运动过程中会受复杂路面影响而产生复杂的运动状态，因而导致加速度计和陀螺的输出信息并不是车载MIMU的实际运动加速度和实际运动角速度；然而，现有的车载MIMU导航解算方法均未对加速度计和陀螺的输出信息中的各种信息成分进行具体分析，因而其导航解算精度往往较低，并不能满足惯性导航与定位过程中的精度要求。
发明内容
本发明为了解决现有车载MIMU的导航解算方法导航解算精度较低的问题，提供了一种车载MIMU输出信息解算方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种车载MIMU输出信息解算方法，该方法是采用如下步骤实现的：
(1)标定出车载MIMU中各加速度计与陀螺的杆臂长度；
(2)标定出各陀螺受加速度影响的加速度敏感系数；
(3)将车载MIMU运动过程中的姿态角(车载MIMU的坐标系x轴与静地坐标系x轴之间的夹角)、各加速度计的输出信息、各陀螺输出的角速度信息、以及杆臂长度带入加速度计输出信息的有用信息提取式，求出各加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动加速度；所述加速度计输出信息的有用信息提取式具有如下形式：
abx运动＝fbx-gnsinθ-Δbx噪声
aby运动＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx 2-r1y×ωz 2-Δby噪声
abz运动＝fbz-gncosθsinγ-rz×ωx 2-r1z×ωy 2-Δbz噪声
上式中：abj运动(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU的实际运动加速度；fbj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；gn为车载MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分别为车载MIMU的姿态角(车载MIMU的坐标系x轴与静地坐标系x轴之间的夹角)、滚动角(车载MIMU的坐标系z轴与静地坐标系z轴之间的夹角)；rj(j＝y，z)为y轴、z轴方向加速度计的杆臂长度；rij(i＝1；j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的敏感点到车载MIMU的瞬间运动圆弧圆心的距离；ωj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；Δbj噪声(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的噪声加速度；
(4)将各加速度计的输出信息、各陀螺输出的角速度信息、以及陀螺的加速度敏感系数带入陀螺输出信息的有用信息提取式，求出各陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度；所述陀螺输出信息的有用信息提取式具有如下形式：
ωx运动＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪声
ωy运动＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪声
ωz运动＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪声
上式中：ωj运动(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度；ωj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；kij(i，j＝x，y，z)为陀螺的加速度敏感系数；aj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；Δωj噪声(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的噪声信息。
如何标定车载MIMU中各加速度计与陀螺的杆臂长度、以及如何标定各陀螺受加速度影响的加速度敏感系数均为现有公知技术。
假设车载MIMU的各加速度计(x轴、y轴、z轴方向加速度计)是点敏感器件，并且其敏感点位置相对车载MIMU固定不变，各加速度计只感测沿其敏感方向的加速度；以静地坐标系为参考坐标系，记车载MIMU的前后方向为x轴向，车载MIMU的上下方向为y轴向，车载MIMU的的左右方向为z轴向，则车载MIMU的运动约束条件为：
(Vby、Vbz分别为车载MIMU的y、z轴向速度)，即车载MIMU的横向与垂直方向速度约等于零；aby＝abz＝0(aby、abz分别为车载MIMU的y、z轴向加速度)，即车载MIMU的横向与垂直方向加速度为零。
在车载MIMU运动过程中，各加速度计的输出信息方程为：
fbx＝gbx+abx运动+abx向心+abx切向+Δbx噪声＝gnsinθ+abx运动+(r1x×ωy 2+r2x×ωz 2)+(r3x×βy+r4x×βz)+Δbx噪声
fby＝gby+aby运动+aby向心+aby切向+Δby噪声＝gncosθcosγ+aby运动+(r1y×ωx 2+r2y×ωz 2)+(r3y×βx+r4y×βz)+Δby噪声
fbz＝gbz+abz运动+abz向心+abz切向+Δbz噪声＝gncosθsinγ+abz运动+(r1z×ωx 2+r2z×ωy 2)+(r3z×βx+r4z×βy)+Δbz噪声
根据车载MIMU实际运动情况以及运动约束条件，结合对大量车载MIMU试验数据的分析，得出所述步骤(3)中的加速度计输出信息的有用信息提取式：
abx运动＝fbx-gnsinθ-Δbx噪声
aby运动＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx 2-r1y×ωz 2-Δby噪声
abz运动＝fbz-gncosθsinγ-rz×ωx 2-r1z×ωy 2-Δbz噪声
上述各式(包括各加速度计的输出信息方程和加速度计输出信息的有用信息提取式)中：
abj运动(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU的实际运动加速度；fbj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；gn为车载MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分别为车载MIMU的姿态角(车载MIMU的坐标系x轴与静地坐标系x轴之间的夹角)、滚动角(车载MIMU的坐标系z轴与静地坐标系z轴之间的夹角)；rj(j＝y，z)为y轴、z轴方向加速度计的杆臂长度；rij(i＝1；j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的敏感点到车载MIMU的瞬间运动圆弧圆心的距离；ωj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；Δbj噪声(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的噪声加速度；gbj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计所感测的重力加速度；rj(j＝y，z)为y轴、z轴方向加速度计的杆臂长度；rij(i＝1，2，3，4；j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的敏感点到车载MIMU的瞬间运动圆弧圆心的距离；abj向心(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的向心加速度；abj切向为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的切向加速度；βj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的角加速度。
在车载MIMU运动过程中，各陀螺的输出信息方程为：
ωx＝ωx运动+kxx×ax+kxy×ay+kxz×az+Δωx噪声
ωy＝ωy运动+kyx×ax+kyy×ay+kyz×az+Δωy噪声
ωz＝ωz运动+kzx×ax+kzy×ay+kzz×az+Δωz噪声
根据车载MIMU实际运动情况以及运动约束条件，结合对大量车载MIMU试验数据的分析，得出所述步骤(4)中的陀螺输出信息的有用信息提取式：
ωx运动＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪声
ωy运动＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪声
ωz运动＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪声
上述各式(包括各陀螺的输出信息方程和陀螺输出信息的有用信息提取式)中：
ωj运动(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度；ωj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；kij(i，j＝x，y，z)为陀螺的加速度敏感系数；aj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；Δωj噪声(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的噪声信息。
通过对多次车载MIMU试验输出的原始数据进行分析，取其中两次车载MIMU试验数据，如表1、表2所示。
表1第一次车载MIMU试验输出信息数据表
表2第二次车载MIMU试验输出信息数据表
表1、表2中，t为车载MIMU的运动时间；θ为车载MIMU的姿态角；Φ为车载MIMU的方位角；γ为车载MIMU的滚动角；ωj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；aj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息。从表1、表2可以看出，在实际试验过程中，车载MIMU中加速度计的输出信息跟角速度和姿态角的变化有密切关系，车载MIMU中陀螺的输出的角速度信息也跟加速度和姿态角的变化有密切关系。表1、表2所示的车载MIMU试验数据有效验证了本发明所述的一种车载MIMU输出信息解算方法的可行性和精确性。
本发明通过对车载MIMU中加速度计和陀螺的输出信息中的各种信息成分进行具体分析，有效解决了现有车载MIMU的导航解算方法导航解算精度较低的问题，适用于航空、航天、汽车等工业领域的惯性导航与定位。
具体实施方式
一种车载MIMU输出信息解算方法，该方法是采用如下步骤实现的：
(1)标定出车载MIMU中各加速度计与陀螺的杆臂长度；
(2)标定出各陀螺受加速度影响的加速度敏感系数；
(3)将车载MIMU运动过程中的姿态角、各加速度计的输出信息、各陀螺输出的角速度信息、以及杆臂长度带入加速度计输出信息的有用信息提取式，求出各加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动加速度；所述加速度计输出信息的有用信息提取式具有如下形式：
abx运动＝fbx-gnsinθ-Δbx噪声
aby运动＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx 2-r1y×ωz 2-Δby噪声
abz运动＝fbz-gncosθsinγ-rz×ωx 2-r1z×ωy 2-Δbz噪声
上式中：abj运动(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU的实际运动加速度；fbj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；gn为车载MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分别为车载MIMU的姿态角、滚动角；rj(j＝y，z)为y轴、z轴方向加速度计的杆臂长度；rij(i＝1；j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的敏感点到车载MIMU的瞬间运动圆弧圆心的距离；ωj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；Δbj噪声(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的噪声加速度；
(4)将各加速度计的输出信息、各陀螺输出的角速度信息、以及陀螺的加速度敏感系数带入陀螺输出信息的有用信息提取式，求出各陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度；所述陀螺输出信息的有用信息提取式具有如下形式：
ωx运动＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪声
ωy运动＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪声
ωz运动＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪声
上式中：ωj运动(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度；ωj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；kij(i，j＝x，y，z)为陀螺的加速度敏感系数；aj(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；Δωj噪声(j＝x，y，z)为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的噪声信息。
Claims (1)
1.一种车载MIMU输出信息解算方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
(1)标定出车载MIMU中各加速度计与陀螺的杆臂长度；
(2)标定出各陀螺受加速度影响的加速度敏感系数；
(3)将车载MIMU运动过程中的姿态角、各加速度计的输出信息、各陀螺输出的角速度信息、以及杆臂长度带入加速度计输出信息的有用信息提取式，求出各加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动加速度；所述加速度计输出信息的有用信息提取式具有如下形式：
abx运动＝fbx一gnsinθ-Δbx噪声
aby运动＝fby-gncosθcosγ-ry×ωx 2-r1y×ωz 2-Δby噪声
abz运动＝fbz-gncosθsinγ-rz×ωx 2-r1z×ωy 2-Δbz噪声
上式中：abj运动，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的车载MIMU的实际运动加速度；fbj，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；gn为车载MIMU所在地的重力加速度；θ、γ分别为车载MIMU的姿态角、滚动角；rj，j＝y，z，为y轴、z轴方向加速度计的杆臂长度；rij，i＝1；j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向加速度计的敏感点到车载MIMU的瞬间运动圆弧圆心的距离；ωj，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；Δbj噪声，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向加速度计沿其敏感方向所感测的噪声加速度；
(4)将各加速度计的输出信息、各陀螺输出的角速度信息、以及陀螺的加速度敏感系数带入陀螺输出信息的有用信息提取式，求出各陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度；所述陀螺输出信息的有用信息提取式具有如下形式：
ωx运动＝ωx-kxx×ax-kxy×ay-kxz×az-Δωx噪声
ωy运动＝ωy-kyx×ax-kyy×ay-kyz×az-Δωy噪声
ωz运动＝ωz-kzx×ax-kzy×ay-kzz×az-Δωz噪声
上式中：ωj运动，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的车载MIMU实际运动角速度；ωj，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向陀螺输出的角速度信息；kij，i，j＝x，y，z，为陀螺的加速度敏感系数；aj，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向加速度计的输出信息；Δωj噪声，j＝x，y，z，为x轴、y轴、z轴方向陀螺沿其敏感方向所感测的噪声信息。
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