CN107830873B - 一种基于单轴水平旋转惯导与里程计组合的高精度车辆定位定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单轴水平旋转惯导与里程计组合的高精度车辆定位定向方法，选用高低精度搭配的光纤陀螺和石英加速度计作为单轴水平旋转惯导系统的惯性敏感器件；通过水平旋转调制技术，对车体横向和法向的光纤陀螺漂移和加速度计零偏进行调制，抑制了车体横向和法向的器件误差对惯导系统的影响，提高了惯导系统的对准、定位及航向精度；同时，建立了单轴水平旋转惯导与里程计组合系统导航模型，将单轴水平旋转惯导与里程计组合，抑制了导航误差随时间发散，从而提高车辆定位定向精度。该方法能够满足特种作战车辆对自主导航设备高精度、低成本的实际需求，对外界环境不断变化下的车辆定位定向研究具有重要意义。

Description

一种基于单轴水平旋转惯导与里程计组合的高精度车辆定位 定向方法

技术领域

本发明涉及车辆定位定向的技术领域，具体涉及一种基于单轴水平旋转惯导与里程计组合的高精度车辆定位定向方法。

背景技术

地面车的高精度定位定向信息对于完成特定任务来说具有十分重要的意义。不仅要求能够在宽阔的平原地带进行定位及导航，当处于深山或隧道等受限环境时也要能够进行准确的自身定位。而常用的卫星导航系统，在深山或隧道等受限环境可能无法使用，因此需要研究具备自主性和一定的抗干扰能力的车辆定位定向系统；此外，为保证车辆定位定向系统的大规模推广应用，便于系统的维护管理，车辆定位定向系统还应降低成本。因此，需要研究高精度、低成本、自主的车辆定位定向系统。

光纤陀螺是现代惯性导航技术的一个核心部件，它具有结构简单、无运动部件、启动快、功耗低、耐冲击、精度覆盖面广、动态范围大等优点，因而在近、中程导弹、舰艇、反潜武器以及卫星和宇宙飞船等航空、航天、航海和兵器领域中得到广泛应用。

单轴旋转惯导系统是一种完全自主的导航系统，它选用光纤陀螺、石英加速度计作为主要惯性敏感元件，采用旋转调制/稳定技术，可提高初始对准的精度，有效抑制惯性器件误差，具有全自主、全天候，输出参数全面，体积小、重量轻、可靠性高、经济性好，抗干扰能力强等优点，因而在航海舰船及陆地军用车辆等领域中得到广泛应用。

里程计是一种用于地面车辆导航系统中的传感器，主要由传动轴和光电编码器组成。光电旋转编码器可将传动轴上的机械几何位移量通过光电转换转化成脉冲量，信号处理电路根据脉冲频率、数量及相位变化能够精确测量地面车辆的速度、里程变化量。里程计具有分辨率高，响应快，成本低，测量误差不随时间积累，自主性和抗干扰能力强等优点，是航位推算系统的重要信息源，对地面车辆的精确定位、自主导航以及降低组合导航成本具有重要的意义。

本发明中的重点是利用水平旋转调制技术对沿车体横向和法向的光纤陀螺漂移和加速度计零偏进行调制，降低了这两个方向的惯性器件误差对惯导系统导航精度(尤其是航向精度)的影响，同时将单轴水平旋转惯导系统与里程计进行组合，抑制了导航误差随时间发散，最终实现高精度车辆定位定向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为针对现有陆用特种作战车辆自主导航设备对系统精度、成本的实际使用需求，提出一种即能满足车辆高精度定位定向需求，又能降低系统成本的方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于单轴水平旋转惯导与里程计组合的高精度车辆定位定向方法，包括如下步骤：

步骤(1)、采用水平旋转调制技术，旋转轴与车体纵向重合，可对车体横向和法向的光纤陀螺漂移和加速度计零偏进行调制，该技术抑制了车体横向和法向的光纤陀螺漂移和加速度计零偏对惯导系统的影响，提高了惯导系统的对准、定位及航向精度；

步骤(2)、选用高低精度搭配的光纤陀螺和石英加速度计作为单轴水平旋转惯导系统的惯性敏感器件，降低了系统成本；

步骤(3)、建立了单轴水平旋转惯导与里程计的组合系统导航模型，将单轴水平旋转惯导与里程计进行组合，抑制了导航误差随时间发散，从而提高车辆定位定向精度。

进一步的，步骤(1)中所述单轴水平旋转惯导系统，采用旋转轴与车体纵轴相重合的安装方式，实现对天向陀螺漂移的调制，保持长时间导航时的定向精度。

进一步的，步骤(2)中所述单轴水平旋转惯导系统中的光纤陀螺按照沿车体纵向精度高，沿车体横向和法向精度低的搭配方式进行安装；单轴水平旋转惯导系统中的石英加速度计采用沿车体纵向精度高，沿车体横向和法向精度低的搭配方式进行安装，在实现高精度定位定向的同时，有效降低系统成本。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明可降低系统成本，便于系统推广应用及维护。惯导系统采用单轴水平旋转，可对车体横向和法向的光纤陀螺和加速度计进行调制，在满足导航精度的前提下，降低了对车体横向和法向惯性敏感器件的精度要求，因此车体横向和法向可使用低精度的光纤陀螺和加速度计作为惯导系统的惯性敏感器件，降低系统成本。

(2)、本发明可明显提升车辆定位定向精度尤其是航向精度。单轴水平旋转惯导系统采用旋转轴与车体纵轴相重合的安装方式，使得沿车体横向、法向的光纤陀螺及加速度计等惯性敏感器件误差受到调制，从而航向角ψ、俯仰角θ以及沿车体横向的各项误差都被限制在较小范围内。

附图说明

图1为本发明的安装示意图；

图2为本发明的单轴水平旋转惯导示意图；

图3为本发明的工作原理示意图；

图4为应用本发明与传统方法进行实验的水平位置误差对比；

图5为应用本发明与传统方法进行实验的航向误差对比。

图中附图标记含义为：1为单轴水平旋转惯导系统，2为里程计，11为主框架，12为IMU框架，13为石英加速度计，14为光栅编码器，15为光纤陀螺，16为力矩电机。

具体实施方式

本发明下面将结合附图(实施例)作进一步详述。

如图1所示，本发明由单轴水平旋转惯导系统1、里程计2组成。单轴水平旋转惯导系统安装固定在载车尾部平台，且旋转轴与载车前进方向重合；里程计安装固定在载车车轮附近，通过一根软轴与载车传动轴相连，实时测量载车速度信息。

如图2所示，为本发明的单轴水平旋转惯导系统1的结构示意图，该单轴水平旋转惯导系统主要由主框架11、IMU框架12、石英加速度计13、光栅编码器14、光纤陀螺15、力矩电机16等部件组成。光栅编码器14、力矩电机16通过螺栓安装固定在主框架11上，IMU框架12的转轴穿过主框架11的转轴孔与光栅编码器14的转子、力矩电机16的转子固连；力矩电机16控制IMU框架12以6°/s的角速度进行正反旋转；3个石英加速度计13、3个光纤陀螺15分别成正交方式通过螺栓安装固定在IMU框架12上，其中，转轴方向安装的光纤陀螺漂移为0.01°/h，加速度计零偏为50ug，另两个正交方向安装的光纤陀螺漂移为0.1°/h，加速度计零偏为500ug。

如图3所示，为本发明方法的工作原理示意图，其步骤如下：

步骤(1)、单轴水平旋转惯导系统1通过光纤陀螺15和石英加速度计13获取经过调制的角速度与比力信息，经过导航解算输出导航系下的位置、速度和姿态信息；

步骤(2)、里程计2通过软轴测量载车传动轴转动，输出载车载体系下的速度信息，并结合单轴水平旋转惯导系统1输出的姿态信息进行航位推算，得出车辆导航系下的速度；

步骤(3)、单轴水平旋转惯导系统1输出的速度信息与里程计2输出的速度信息之差作为量测量输入组合滤波器，组合滤波器采用状态方程(1)和量测方程(2)进行滤波解算；

Z(t)＝HX(t)+V(t) (2)

式(1)中，X(t)为16维系统状态向量；

其中，

表示东、北、天向姿态误差；δv_E、δv_N、δv_U表示东、北、天向速度误差；δL、δλ、δh表示纬度、经度、高度误差；ε_x、ε_y、ε_z表示敏感系下x、y、z光纤陀螺漂移；

表示敏感系下x、y、z加速度计零偏；δK_D表示里程计刻度系数误差；F为状态转移矩阵，可通过里程计速度误差方程(4)和光纤单轴惯导误差方程(5)获得；G为噪声转移矩阵；W(t)为系统噪声；Z(t)为量测量；V(t)为量测噪声；H为量测转换阵如(9)所示；

其中，

为里程计速度误差；

为载体系下里程计输出速度；δK_D为里程计刻度系数误差，

为姿态误差反对称阵；

为载体系到导航系的姿态转换矩阵；

其中，δvⁿ表示导航系速度误差，v_E、v_N、v_U分别表示东向、北向和天向速度，δv_E、δv_N、δv_U表示东、北、天向速度误差；

表示姿态误差，δL、δλ、δh表示纬度、经度、高度误差，λ、L、h分别表示当前时刻的经度、纬度和高度；

为地球自转角速度，

为地球自转角速度误差，

为导航系相对于地球坐标系的角速度，

为导航系相对于地球坐标系的角速度误差；ε^s为敏感系下陀螺漂移，

为敏感系下加速度计零偏；R_M、R_N分别表示子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径；fⁿ表示导航坐标系下的比力，

为敏感系相对导航系的转换矩阵，转化方法如下所示：

其中，

为敏感系相对载体系的转换矩阵；

表示旋转调制过程中，敏感系相对载体系转过的角度；ψ，θ，γ分别为俯仰、横滚、航向角。

其中，v_DE、v_DN、v_DU表示里程计输出的东、北、天向速度。

经组合滤波解算，组合滤波器得出速度、位置、姿态的修正量并对单轴水平旋转惯导系统1输出的速度、位置、姿态信息进行修正，得到最终导航结果。

实施例

载车上应用本发明方法在某全长95km的路段进行试验，实验过程包含静止、加速、转弯、减速等过程。图4显示了使用本发明方法和传统方法分别在该路段进行导航试验的水平位置误差对比。图5显示了使用本发明方法和传统方法分别在该路段进行导航试验的航向角误差对比。可以看出，使用本发明进行试验得出的导航结果较传统方法而言，水平位置精度和航向精度均有明显提高。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于单轴水平旋转惯导与里程计组合的高精度车载定位定向方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、采用水平旋转调制技术，旋转轴与车体纵向重合，可对车体横向和法向的光纤陀螺漂移和石英加速度计零偏进行调制，该技术抑制了车体横向和法向的光纤陀螺漂移和加速度计零偏对单轴水平旋转惯导的影响，提高了单轴水平旋转惯导的对准、定位及航向精度，保持长时间航行时的定向精度；

步骤(2)、选用高低精度搭配的光纤陀螺和石英加速度计作为单轴水平旋转惯导的惯性敏感器件，降低了系统成本；

步骤(3)、建立了单轴水平旋转惯导与里程计的组合系统导航模型，将单轴水平旋转惯导与里程计进行组合，单轴水平旋转惯导输出的速度信息与里程计输出的速度信息之差作为量测量输入组合滤波器，组合滤波器采用状态方程(1)和量测方程(2)进行滤波解算；

Z(t)＝HX(t)+V(t) (2)

式(1)中，X(t)为16维系统状态向量；

其中，

表示东、北、天向姿态误差；δv_E、δv_N、δv_U表示东、北、天向速度误差；δL、δλ、δh表示纬度、经度、高度误差；ε_x、ε_y、ε_z表示敏感系下x、y、z光纤陀螺漂移；

表示敏感系下x、y、z加速度计零偏；δK_D表示里程计刻度系数误差；F为状态转移矩阵，可通过里程计速度误差方程(4)和单轴水平旋转惯导误差方程(5)获得；G为噪声转移矩阵；W(t)为系统噪声；Z(t)为量测量；V(t)为量测噪声；H为量测转换阵如(9)所示；

其中，

为里程计速度误差；

为载体系下里程计输出速度；δK_D为里程计刻度系数误差，

为姿态误差反对称阵；

为载体系到导航系的姿态转换矩阵；

其中，δvⁿ表示导航系速度误差，v_E、v_N、v_U分别表示东向、北向和天向速度，δv_E、δv_N、δv_U表示东、北、天向速度误差；

表示姿态误差，δL、δλ、δh表示纬度、经度、高度误差，λ、L、h分别表示当前时刻的经度、纬度和高度；

为地球自转角速度，

为地球自转角速度误差，

为导航系相对于地球坐标系的角速度，

为导航系相对于地球坐标系的角速度误差；ε^s为敏感系下陀螺漂移，

为敏感系下加速度计零偏；R_M、R_N分别表示子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径；fⁿ表示导航坐标系下的比力，

为敏感系相对导航系的转换矩阵，转化方法如下所示：

其中，

为敏感系相对载体系的转换矩阵；

表示旋转调制过程中，敏感系相对载体系转过的角度；ψ，θ，γ分别为俯仰、横滚、航向角；

其中，v_DE、v_DN、v_DU表示里程计输出的东、北、天向速度；

经组合滤波解算，组合滤波器得出速度、位置、姿态的修正量并对单轴水平旋转惯导输出的速度、位置、姿态信息进行修正，得到最终导航结果；

步骤(1)中所述单轴水平旋转惯导，采用旋转轴与车体纵向相重合的安装方式，实现对天向陀螺漂移的调制，保持长时间导航时的定向精度；

步骤(2)中所述单轴水平旋转惯导中的光纤陀螺按照沿车体纵向精度高，沿车体横向和法向精度低的搭配方式进行安装；单轴水平旋转惯导中的石英加速度计采用沿车体纵向精度高，沿车体横向和法向精度低的搭配方式进行安装，在实现高精度定位定向的同时，有效降低系统成本。

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