CN103217158A - 一种提高车载sins/od组合导航精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高车载捷联惯导/里程仪(SINS/OD)组合导航精度的方法。根据路面坡度和车辆加速度，计算里程仪刻度系数变化和车辆底盘与车体之间相对角运动，并对里程仪输出进行补偿，以求取精确的车辆行驶速度。利用SINS解算的速度信息和OD解算的速度信息之差构造量测，通过卡尔曼滤波估计出模型参数及导航误差参数，利用求得的状态量对SINS和OD数据进行修正，以得到准确的导航参数。在进行位置修正时，考虑位置误差的可观测性较弱，不直接利用状态估计值修正位置，而采用修正后的速度推算位置。本发明考虑路面坡度和车辆加速度对车载SINS/OD组合导航精度的影响，通过建立相应的数学模型，实现了车载SINS/OD高精度组合导航。

Description

一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法

技术领域

本发明涉及地面车辆定位定向技术，具体涉及提高车载SINS/OD组合导航精度的关键技术，属于车载导航技术领域。

背景技术

捷联惯导(SINS)是自主式导航设备，可以输出车辆的位置、速度及姿态航向等参数。然而，SINS的导航误差随时间增长，其导航精度主要取决于陀螺和加速度计的精度，但高精度的元件会使整个系统的成本急剧增加，因而，控制SINS误差累积成为惯导运行的关键问题。采用零速修正可以有效改善系统性能，但对导航系统的使用操纵提出了严格的限制约束条件。利用SINS/GPS虽可以很好解决误差累积问题，但GPS动态能力差，易受电子干扰，信号易被遮挡等缺点，且GPS控制权在美国，不能满足战时需要。一种能够给陆地车辆提供独立速度参考信息的设备是里程仪，其测速误差不随时间增长，信号不会被遮挡和干扰。SINS和OD具有互补特性，SINS/OD组合方式在车载导航中广为应用。

目前，由SINS/OD组成的车载导航系统，通常认为OD测量车辆纵向速度，而实际上，OD测量的是车辆底盘的运动，SINS安装在车体上，测量的是车体运动，底盘与车体不是刚性连接，而是通过悬架结构连接，车体和底盘之间会有相对角运动，有些车辆车体与底盘之间相对运动角度多达几度，若不能精确估计出车辆车体与底盘之间相对运动，则会对由SINS/OD组成的车载导航系统导航精度产生严重影响，因此需要对底盘与车体之间角运动进行建模，并设计相应算法估计角误差。

另外，若安装SINS/OD系统的车辆为轮式车辆，通常将里程仪刻度系数当作常值或常值加随机误差项处理。但当车辆行驶在不同坡度路面上，或以不同加速度行驶时，轮胎半径会发生变化，里程仪刻度系数亦随之发生变化，不能把里程仪刻度系数简单认为是常值，或常值加上随机误差项组成，需要建立相应的误差模型以补偿刻度系数变化。

发明内容

本发明的技术解决问题：现有的SINS/OD组合导航方案未考虑考虑车辆车体与底盘相对角运动对导航精度造成的影响，同时认为建立里程仪刻度系数模型过于复杂，将里程仪刻度系数简化为常值或常值加随机误差项，本发明通过建立相应的数学模型，进而实现高精度车载SINS/OD组合导航。

本发明主要内容包括：

(1)里程仪刻度系数数学模型

里程仪刻度系数的路面坡度及车辆加速度的数学模型为

K_od0为车辆在水平路面匀速行驶时的里程仪刻度系数，f_y为前向比力，f_y＝a_y+gθ，a_y为前向加速度，θ为路面纵坡度，

为前向比力对里程仪刻度系数的影响系数。

(2)底盘与车体相对运动模型

底盘到车体之间的方向余弦阵 $C_{b^{\′}}^b=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -K_{A_x}{f}_x\\ 0& 1& K_{A_v}{f}_y\\ K_{A_x}{f}_x& -K_{A_v}{f}_y& 1\end{array}\right],$ f_x为车辆横轴方向比力，

为车辆横轴方向误差系数，f_y为前向比力，

为车辆纵轴方向误差系数。

(3)卡尔曼滤波模型

卡尔曼滤波模型的状态方程为

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^n={\mathrm{\φ}}^n\×{\mathrm{\ω}}_m^n+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_m^n-{\mathrm{\ϵ}}^n$

$\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{V}}^n=-{\mathrm{\φ}}^n\×f^n+\mathrm{\δ}{V}^n\×(2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n)+V^n\×(2\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n)+{\▿}^n$

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{L}=\frac{\mathrm{\δ}{V}_N}{R+h}-\mathrm{\δh}\frac{V_N}{{(R+h)}^2}$

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{\∂V_E}{R+h}\sec L+\mathrm{\δL}\frac{V_E}{R+h}\tan L\sec L-\mathrm{\δh}\frac{V_E\sec L}{{(R+h)}^2}$

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{h}=\mathrm{\δ}{V}_U$

${\stackrel{\·}{K}}_{f_v}=0$

${\stackrel{\·}{K}}_{A_x}=0$

${\stackrel{\·}{K}}_{A_y}=0$

φⁿ为失准角，

为导航系相对惯性系角速度在导航系上的投影，εⁿ为陀螺漂移在导航系上的投影，fⁿ为比力在导航系上的投影，

为地球自转角速度在导航系上投影，

为导航系相对地球系角速度在导航系上的投影，

为加速度计零偏在导航系上投影，Vⁿ为地速在导航系上投影，L为当地纬度，λ为当地经度，h为高度，R为地球半径。

量测方程为：

Z＝Vⁿ-VMSⁿ，Vⁿ为修正过后的惯导速度，VMSⁿ经过误差补偿后的里程仪速度。

(4)导航参数修正模块

修正后的姿态阵

φⁿ为失准角，

为由惯导数据解算的车体姿态阵，修正过后速度

δVⁿ为速度误差量，

为由惯导数据解算的车辆速度，车辆位置P利用修正后速度信息Vⁿ直接解算。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供了一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法，通过建立里程仪刻度系数的数学模型和底盘与车体相对角运动模型，对里程仪输出进行补偿，利用卡尔曼滤波技术估计模型参数和导航误差参数，并利用估计出的状态量对SINS和OD数据进行修正，从而提高车载SINS/OD组合导航精度。

附图说明

图1为匀速行驶在水平路面上的车辆

图2为纵坡度路面及加减速运动时的车辆

图3为横坡度路面及有侧向加速度时的车辆

图4为SINS/OD组合导航原理图

图5为里程仪刻度系数修正原理图

图6为底盘与车体角运动修正原理图

图7为SINS导航解算原理图

图8为SINS导航参数修正原理图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

车辆在不同坡度路面及以不同加速度行驶时，车辆底盘与车体之间角度变化及轮胎半径变化情况见图1-3，图1为在水平路面上匀速行驶的车辆，此时，车体坐标系的横轴(x轴)、纵轴(y轴)分别与底盘的横轴(x轴)、纵轴(y轴)之间夹角为常值。

当车辆在纵坡度路面上或以一定加速度行驶时(见图2)，后轮半径压缩量为

f_y＝a_y+gθ，a_y为车辆加速度，θ为路面纵坡度，

为前向比力f_y对后轮半径的影响系数，车体纵轴y轴与底盘y轴夹角变化量为

为前向比力对纵向夹角的影响系数，里程仪刻度系数变化量为

为前向比力对里程仪刻度系数的影响系数。当a_y+gθ＞0时，压缩量为正，后轮半径减小，车体纵轴y轴与底盘y轴夹角变化量为正，里程仪刻度系数变小；当a_y+gθ＜0时，压缩量为负，轮胎半径增大，车体纵轴y轴与底盘y轴夹角变化量为负，里程仪刻度系数变大。

当车辆在横坡度路面行驶时或车辆存在一定侧向加速度行驶时(见图3)，左后轮胎和右后轮胎半径一侧增大，另一侧减小，增大量和减小量相等，变化量为

f_x＝a_x+gγ，a_x为车辆侧向加速度，γ为路面横坡度，

为侧向比力f_x对后轮半径的影响系数，车体横轴x轴与底盘x轴夹角变化量为

为侧向比力f_x对横向夹角的影响系数。当a_x+gγ＞0时，右后轮压缩量为正，左后轮压缩量为负，车体横轴x轴与底盘x轴夹角变化量为正；当a_x+gγ＜0时，右后轮压缩量为负，左后轮压缩量为正，车体横轴x轴与底盘x轴夹角变化量为负。考虑差速器的因素，横向坡度或侧向加速度几乎不影响轮胎等效半径，即不影响里程仪刻度系数，横向坡度及侧向加速度主要影响车体和底盘之间角度。

图4为SINS/OD组合导航原理图。里程仪刻度系数经过路面纵坡度和车辆加速度补偿后，乘上单位时间内里程仪输出的脉冲数N_od可以得到底盘行进速度VMS^b′，VMS^b′经过底盘与车体间的角度阵

修正后得到车速在车体坐标系上的投影VMS^b。VMS^b乘上车体姿态阵可以得到车速在导航坐标系上的投影VMSⁿ。SINS输出的角速度

比力

经过导航解算可以得到车辆姿态阵

速度

和位置

等参数。利用SINS解算的速度信息

和里程仪解算的导航坐标系上速度VMSⁿ构造量测，通过卡尔曼滤波求得模型系数和导航误差参数，利用求得的状态量对SINS和OD数据进行修正，以得到准确的导航参数。

图5为里程仪刻度系数修正原理图。车辆在水平路面匀速行驶时里程仪刻度系数为K_od0，路面纵坡度、加速度补偿量为

经过修正后的里程仪刻度系数为此系数乘以里程仪单位时间内输出的脉冲数N_od，可以得到准确的车辆底盘速度

图6为底盘与车体角运动修正原理图。车辆横轴方向比力f_x乘以该方向误差系数

得到底盘x轴与车体x轴之间误差角车辆纵轴方向比力f_y乘以该方向误差系数

得到底盘y轴与车体y轴之间误差角利用

可以解得底盘到车体之间的方向余弦阵 $C_{b^{\′}}^b=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -K_{A_x}{f}_x\\ 0& 1& K_{A_v}{f}_y\\ K_{A_x}{f}_x& -K_{A_v}{f}_y& 1\end{array}\right],$

乘以车体姿态阵

得到底盘姿态阵

车体车辆底盘速度VMS_b′乘以底盘姿态阵

得到导航系上的车速VMSⁿ。

图7为SINS导航解算原理图。陀螺测量得到角速度

减去指令角速度

得到车体系相对地理系角速度

经过姿态阵解算得到车体姿态阵

加速度计输出

乘上车体姿态阵

得到比力在导航系上分量

然后对进行一次积分得到速度信息二次积分得到位置信息

图8为SINS导航参数修正原理图。直接利用卡尔曼滤波得到的失准角φⁿ、速度误差量δVⁿ对姿态阵

速度

进行修正，位置修正量不采用卡尔曼滤波得到的位置误差量，车辆位置P利用修正后速度信息Vⁿ直接解算。利用卡尔曼滤波求得

对里程仪刻度系数进行修正，利用

和

对底盘与车体的相对角运动进行修正。

Claims (6)

1.一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法，其特征在于，所述的方法包括：里程仪刻度系数补偿模块、底盘与车体角运动修正模块、导航参数解算模块、卡尔曼滤波模块和导航参数修正模块，其中，里程仪刻度系数补偿模块用来补偿路面坡度及车辆加速度对刻度系数的影响；底盘与车体角运动修正模块实现对车辆底盘与车体之间角运动补偿；导航参数解算是通过对陀螺和加速度计输出进行导航解算，解得车辆的位置和速度、姿态航向信息；卡尔曼滤波模块通过卡尔曼滤波估计模型参数和导航误差参数；导航参数修正模块利用估计出的状态量对SINS和OD数据进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法，其特征在于：所述的里程仪刻度系数补偿模块输入为K_od0、f_y和

K_od0为车辆在水平路面匀速行驶时的里程仪刻度系数，f_y为前向比力，

为前向比力对里程仪刻度系数的影响系数，模块输出为VMS^b′为底盘行进速度，N_od为单位时间内里程仪输出的脉冲数。

3.根据权利要求1所述的一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法，其特征在于：所述的底盘与车体角运动修正模块输入为f_x、fy、

f_x为车辆横轴方向比力，

为车辆横轴方向误差系数，f_y为前向比力，

为车辆纵轴方向误差系数，底盘x轴与车体x轴之间误差角为底盘y轴与车体y轴之间误差角为

底盘到车体之间的方向余弦阵 $C_{b^{\′}}^b=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -K_{A_x}{f}_x\\ 0& 1& K_{A_v}{f}_y\\ K_{A_x}{f}_x& -K_{A_v}{f}_y& 1\end{array}\right],$ 模块输出的车速

为车体姿态阵。

4.根据权利要求1所述的一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法，其特征在于：所述的卡尔曼滤波模块的状态方程为：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^n={\mathrm{\φ}}^n\×{\mathrm{\ω}}_m^n+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_m^n-{\mathrm{\ϵ}}^n$

$\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{V}}^n=-{\mathrm{\φ}}^n\×f^n+\mathrm{\δ}{V}^n\×(2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n)+V^n\×(2\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n)+{\▿}^n$

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{L}=\frac{\mathrm{\δ}{V}_N}{R+h}-\mathrm{\δh}\frac{V_N}{{(R+h)}^2}$

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{\∂V_E}{R+h}\sec L+\mathrm{\δL}\frac{V_E}{R+h}\tan L\sec L-\mathrm{\δh}\frac{V_E\sec L}{{(R+h)}^2}$

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{h}=\mathrm{\δ}{V}_U$

${\stackrel{\·}{K}}_{f_v}=0$

${\stackrel{\·}{K}}_{A_x}=0$

${\stackrel{\·}{K}}_{A_v}=0$

φⁿ为失准角，

为导航系相对惯性系角速度在导航系上的投影，εⁿ为陀螺漂移在导航系上的投影，fⁿ为比力在导航系上的投影，

为地球自转角速度在导航系上投影，为导航系相对地球系角速度在导航系上的投影，

为加速度计零偏在导航系上投影，Vⁿ为地速在导航系上投影，L为当地纬度，λ为当地经度，h为高度，R为地球半径。

量测方程为：

Z＝Vⁿ-VMSⁿ，Vⁿ为修正过后的惯导速度，VMSⁿ经过误差补偿后的里程仪速度。

5.根据权利要求1所述的一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法，其特征在于：所述的导航参数修正模块输出的修正后姿态阵

φⁿ为失准角，

为由惯导数据解算的车体姿态阵，修正后的速度δVⁿ为速度误差量，

为由惯导数据解算的车辆速度，车辆位置P利用修正后速度信息Vⁿ直接解算。

6.根据权利要求1所述的一种提高车载SINS/OD组合导航精度的方法，其特征在于：所述的车辆为后轮驱动车辆。

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