CN112097767B - 一种惯性导航的预积分辅助组件及数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种惯性导航的预积分辅助组件，包括壳体，壳体内设置有主控模块，主控模块的输入端连接有双模GPS模块和IMU模块，主控模块的输出端连接有网络模块和串口模块，主控模块的引脚上还连接有状态控制及显示模块，状态控制及显示模块包括状态指示灯、零偏校准按键和指南针校准按键，双模GPS模块的接收端连接有用于接收GPS和北斗双卫星数据的双模天线。本发明采用全数据输出模式，将GPS的定位信息所积分出来的位置、速度、姿态等全部高频输出，在上位机中可以和更多的其他数据进行融合，通过对定位信息进行预处理，减少数据传输量，使其具有更快的定位显示，为在高楼等一些GPS信号差或无信号的情况下提供一种全新的辅助导航组件。

Description

一种惯性导航的预积分辅助组件及数据处理方法
技术领域
本发明涉及组合导航技术领域，尤其是一种惯性导航的预积分辅助组件及数据处理方法。
背景技术
随着城市的发展，隧道、桥梁、地下停车场、树荫等越来越多，单纯的GPS(GlobalPositioning System,全球定位系统)导航由于其受到遮挡物的影响较大，所以现在其难以在城市中实现实时精准定位，基于这个大环境下，导航需要使用更多样的数据来提高多环境下的定位准确性，例如:北斗+GPS双模导航系统，惯性导航系统以及视觉里程计等，通过多种数据相互融合，校准，其优点和缺点互补。北斗+GPS双模导航系统，是指支持北斗卫星导航系统以及GPS导航系统，其中GPS(Global Positioning System，全球定位系统)是美国研制的全球覆盖率高达98％的由24颗卫星构成的定位系统，北斗卫星导航系统为中国自主研制的全球卫星系统，包含有30颗卫星，加上之前二号系统还在正常运行的15颗卫星，以及一些其他试验卫星，一共由55颗卫星构成，惯性导航系统(Inerrial Navigation System，INS)，能够提供比较多的自身数据，例如加速度角速度，以及有加速度角速度引申出来的位置、速度和姿态等，具有更新速率快、量程较大等特点，而且使用惯导系统不需要外来信息，也不向外辐射任何信息，可在任何介质任何环境条件下实现导航。
惯性导航计算是一个利用惯性原件得到的加速度角速度进行积分计算的的过程，即从一已知点的位置根据连续测得的加速度角速度推算出其下一个点的位置，并且附带算出下一个点的速度，姿态等参数。但是在传统的世界坐标系下进行积分计算，必然造成积分累计的误差，并且在多传感器融合后，相关定位信息也会发生变化，导致之前的积分存在问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用预积分算法，在不丢失惯性数据的前提下降低惯性解算频率，并且与GPS数据同步，为后端优化解算导航信息提供大量实时数据的惯性导航的预积分辅助组件及数据处理方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种惯性导航的预积分辅助组件，包括壳体，所述壳体内设置有主控模块，所述主控模块的输入端连接有双模GPS模块和IMU模块，所述IMU模块即惯性传感器模块，所述主控模块的输出端连接有网络模块和串口模块，所述网络模块为单芯片网络接口模块，所述串口模块为由接口转换芯片组成的模块，所述主控模块的引脚上还连接有用于在不同环境下对数据校准执行的状态控制及显示模块，所述状态控制及显示模块包括若干个用于显示当前惯性导航数据采集的状态指示灯、一个零偏校准按键和一个指南针校准按键，所述双模GPS模块的接收端连接有用于接收GPS和北斗双卫星数据的双模天线。
优选的，所述的IMU模块为高性能九轴MEMS模块，其包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，所述的IMU模块的采样率为1000Hz。
优选的，所述的双模GPS模块为高性能GPS/北斗双模定位模块，包括IPX接口和可充电后备电池。
优选的，所述的主控模块的芯片型号为STM32F4系列单片机，其频率为168MHz。
优选的，所述的壳体包括底座、上盖和用于减小振动的橡胶阻尼垫，所述底座内部安装所述橡胶阻尼垫，所述底座上部与所述上盖抵接，所述底座的侧表面设置有所述状态指示灯、零偏校准按键、指南针校准按键和双模天线的接口，所述底座的底面还设有用于固定电路板的沉头孔和通孔，所述上盖的侧表面设有所述网络模块和串口模块的输出端的开孔，所述上盖的顶部设有用于固定上盖的沉头孔和通孔。
一种惯性导航的预积分辅助组件的数据处理方法，包括以下步骤：
第一步，主控模块接收双模GPS模块和IMU模块采集的数据；
第二步，IMU模块进行数据校准；
第三步，将双模GPS模块和IMU模块进行数据同步；
第四步，对IMU模块的数据进行预积分计算；
第五步，对校准后的磁力数据进行三角函数转换，得到具体的偏航角，实现指南针的效果，偏航角为对磁力计所输出的磁力数据进行三角函数计算得到一个相对于磁北的航向角，其计算公式如下：
Figure BDA0002725475240000031
式中，ψm表示最终输出的航向角，γ和θ分别代表姿态的横滚角和翻滚角，
Figure BDA0002725475240000032
为磁力计的x，y，z轴的磁力输出；
第六步，将经过处理后得到的GPS数据、IMU预积分数据和偏航角数据通过串口模块和网络模块进行实时高频输出显示。
优选的，所述的第一步中双模GPS模块的数据采集速率为20Hz，IMU模块的数据采集速率为500Hz。
优选的，所述的第二步中数据校准包括加速度校准和磁力计校准，加速度计校准采用六面校准法得到增益，采用静止窗口法得到零偏，六面校准法为将惯性导航的预积分辅助组件的六个面分别朝上摆放，静止一段时间得到各个面上的重力加速度，再由此计算出零偏值和比例，磁力计校准采用旋转取最值法得到增益，通过东南西北四面静止法得到各个方向的标定值，东南西北四面静止法为将惯性导航的预积分辅助组件的前面板分别朝向真实环境中的东南西北四个方向，然后由此计算出各个方向的磁力计角度和比例。
优选的，所述的第三步中数据同步根据IMU模块的数据时间序列与双模GPS模块的数据时间序列进行比较，获得两帧GPS数据内的所有IMU数据，为后面的计算提供同一段时间内的IMU变化和GPS的位置。
优选的，所述的第四步中预积分计算步骤为：先将预积分增量进行初始化处理，该预积分增量以第k帧的IMU坐标系为参考坐标系，将xyz三轴上的位移增量ΔP初始化为0、xyz三轴上的速度增量ΔV初始化为0和将前一帧到当前帧的旋转姿态增量ΔQ初始化为单位四元数，在数据同步处理和初始化后，对获取到的两帧GPS数据内的所有IMU数据进行积分，根据IMU数据的时间间隔，通过中值法将GPS数据内的第k帧和第k+1帧之间所有的IMU数据进行积分计算，并更新第k+1帧的位移增量、速度增量和旋转姿态增量；
使用中值法对IMU数据进行积分计算，其中，计算第i个时刻与第i+1个时刻的位移变化量ΔPi+1的公式为：
Figure BDA0002725475240000041
Figure BDA0002725475240000042
式中，δt为第i个时刻至第i+1个时刻的时间间隔，a为IMU模块所测得的加速度数据，ba为加速度的偏移量；
其中，计算第i个时刻与第i+1个时刻的速度变化量ΔVi+1的公式为：
Figure BDA0002725475240000043
Figure BDA0002725475240000044
式中，w表示IMU模块测得的角速度数据，bw表示角速度的偏移量。
本发明的优点和积极效果是：
本发明采用全数据输出模式，将GPS的定位信息、卫星数、精度和INS系统所积分出来的位置、速度、姿态等全部高频输出，为上位机提供大量的数据、实时的数据和经过预处理的数据，在上位机中可以和更多的其他数据进行融合，来解决各种环境下的定位准确性问题，使用预积分的方式进行计算，仅计算相邻帧的定位信息增量，算法复杂度减小，无累计误差，并且充分利用惯性测量数据，降低了运算时间，提升了算法的实时性，且惯性导航辅助组件具有高度的集成化，极低的功耗，多样的接口，具有多种输出方式和输出内容，可适配多种不同的后端设备，为导航系统创造了更多的可能性，通过对定位信息进行预处理，减少数据传输量，使其具有更快的定位显示，更精准的定位信息，更多的定位数据，为在高楼等一些GPS信号差或无信号的情况下提供一种全新的辅助导航组件。
附图说明
图1是本发明的惯性导航的预积分辅助组件的组成结构示意图；
图2是本发明的惯性导航的预积分辅助组件的数据处理方法的流程示意图；
图3是本发明的惯性导航的预积分辅助组件的数据处理方法中IMU模块和双模GPS模块进行数据同步的示意图；
图4是本发明的惯性导航的预积分辅助组件内部模块连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
如图1-图4所示，本发明所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，包括壳体，壳体内设置有主控模块，主控模块为频率是168MHz的芯片型号为STM32F4系列的单片机，主控模块的输入端连接有双模GPS模块和IMU模块，IMU模块即惯性传感器模块，主控模块的输出端连接有网络模块和串口模块，网络模块和串口模块均为高集成、高稳定、高性能和低成本的模块，其中网络模块采用的是一款内部集成全硬件的TCP/IP协议栈、以太网MAC和10Base-T/100Base-TX以太网控制器的单芯片网络接口芯片，速率高达100Mbit/s，串口模块是一款用在工业上的抗干扰能力强的接口转换芯片。主控模块的引脚上还连接有用于在不同环境下对数据校准执行的状态控制及显示模块，状态控制及显示模块包括若干个用于显示当前惯性导航数据采集的状态指示灯、一个零偏校准按键和一个指南针校准按键，双模GPS模块的接收端连接有用于接收GPS和北斗双卫星数据的双模天线，状态指示灯为三种不同颜色的LED灯珠，分为红黄绿三色，红色表示设备未正常初始化或程序运行错误，黄色表示设备进行初始化中，绿色表示设备正常运行或设备校准成功。
进一步，IMU模块为一款高速率、高精度和低功耗的九轴惯导传感器模块，IMU模块的采样率为1000Hz，它具有一个三轴MEMS加速度计，一个三轴MEMS陀螺仪，一个三轴MEMS磁力计，其中加速度计的检测精度为16384LSB/g，陀螺仪的检测精度为131LSB/s,磁力计的检测精度为0.15ut/LSB，其中MEMS为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)，MEMS模块的微型化、集成化、成本低、效能高使得IMU模块可以更好的集成在惯性导航的预积分辅助组件上。
进一步，双模GPS模块为一款基于GPS/BD双卫星系统的高速率、高准确性的模块，自带IPX接口和可充电后备电池，它具有20Hz的更新速率，2.5米的定位精度，可输出经度、纬度、高度、速度、用于定位的卫星数、可见卫星数和UTC时间等多种信息，其追踪灵敏度为-165dBm，其中双卫星定位充分利用了两套卫星定位系统的长处和卫星资源，GPS更多的卫星和北斗系统在国内更好的信号可用度，两者相互验证融合，输出一个经过差分定位计算的更加精确的定位，双模GPS模块还与一个GPS加北斗的双模天线相连接，双模天线提供了28dB的增益，极大提高了双模GPS模块的数据准确性。
进一步，壳体包括底座、上盖和用于减小振动的橡胶阻尼垫，壳体大小约为120mm*90mm*50mm，底座内部安装橡胶阻尼垫，橡胶阻尼垫的材质为ABS塑料，底座上部与上盖抵接，底座的侧表面设置状态指示灯、零偏校准按键、指南针校准按键和双模天线的接口，底座的底面还设有用于固定电路板的沉头孔和通孔，上盖的侧表面设有网络模块和串口模块的输出端的开孔，上盖的顶部设有用于固定上盖的沉头孔和通孔，此外，壳体内部安装有主控模块等电路模块的电路板采用双层覆铜，模块间固定有螺丝，电路板的面积约为100mm*84mm，其信号线还做了屏蔽处理，保证了所有电路模块的信号交互的稳定性和安装的便携性。
一种惯性导航的预积分辅助组件的数据处理方法，包括以下步骤：
第一步，主控模块接收双模GPS模块和IMU模块采集的数据，双模GPS模块与主控模块之间通过串口进行通讯，IMU模块与主控模块之间通过I2C进行通讯，其中，双模GPS模块的数据采集速率为20Hz，IMU模块的数据采集速率为500Hz，串口通讯的速率为921600bps，I2C通讯的速率为400kbit/s，双模GPS模块向主控模块发送的数据有经度、纬度、高度、速度、用于定位的卫星数、可见卫星数和UTC时间等，IMU模块向主控模块发送的数据有加速度、角速度和磁力的原始数据；
第二步，IMU模块进行数据校准，数据校准包括加速度校准和磁力计校准，加速度计校准采用六面校准法得到增益，采用静止窗口法得到零偏，六面校准法为将惯性导航的预积分辅助组件的六个面分别朝上摆放，静止一段时间得到各个面上的重力加速度，再由此计算出零偏值和比例并写入主控模块的FLASH芯片进行保存，磁力计校准采用旋转取最值法得到增益，通过东南西北四面静止法得到各个方向的标定值，对使用xyz三个轴上的数值所计算出的角度进行校准，东南西北四面静止法为将惯性导航的预积分辅助组件的前面板分别朝向真实环境中的东南西北四个方向，然后由此计算出各个方向的磁力计角度和比例并写入主控模块的FLASH芯片进行保存，加速度计校准需要仅拨动设备的加速度计按键并重启设备，设备将进入加速度校准模式，状态指示灯将全亮，按照串口的提示或者灯的状态依次对加速度计的六个面进行校准，状态指示灯闪动一次为完成一个面的校准，顺序为z，-z，y，-y，x，-x，然后再静止在所要安装到的位置上做零偏校准，全部完成后绿灯亮起，黄红两灯熄灭，失败则亮起红灯，其中磁力计校准需要仅拨动磁力计按键并重启设备，设备将进入磁力校准模式，状态指示灯将全亮，按照串口指示或灯的状态依次对磁力计进行校准，状态指示灯闪动一次为完成一个校准，先是旋转一周得到三个磁力方向的零偏值，然后固定设备头方向分别为北，东，南，西得到角度误差，全部完成后绿灯亮起，黄红两灯熄灭，失败则亮起红灯；
第三步，将双模GPS模块和IMU模块进行数据同步，对接收到的高频IMU数据与低频GPS数据根据时间序列进行同步比较，IMU数据接收频率为500Hz，而GPS数据的接收频率为20Hz，两者数据所反映的方位信息在时间轴上有所差异，在计算前，需对两者数据进行时间轴上的对齐，如图3所示，对齐方式为时间序列对齐，即当最新的GPS数据获取后，根据IMU数据的时间序列与GPS数据的时间序列相比较，获得上一帧至当前帧的GPS数据内的所有IMU数据；
第四步，对IMU模块的数据进行预积分计算，先将预积分增量进行初始化处理，该预积分增量以第k帧的IMU坐标系为参考坐标系，将xyz三轴上的位移增量ΔP初始化为0、xyz三轴上的速度增量ΔV初始化为0和将前一帧到当前帧的旋转姿态增量ΔQ初始化为单位四元数，在数据同步处理和初始化后，对获取到的两帧GPS数据内的所有IMU数据进行积分，根据IMU数据的时间间隔，通过中值法将GPS数据内的第k帧和第k+1帧之间所有的IMU数据进行积分计算，并更新第k+1帧的位移增量、速度增量和旋转姿态增量；
使用中值法对IMU数据进行积分计算，其中，计算第i个时刻与第i+1个时刻的位移变化量ΔPi+1的公式为：
Figure BDA0002725475240000091
Figure BDA0002725475240000092
式中，δt为第i个时刻至第i+1个时刻的时间间隔，a为IMU模块所测得的加速度数据，ba为加速度的偏移量；
其中，计算第i个时刻与第i+1个时刻的速度变化量ΔVi+1的公式为：
Figure BDA0002725475240000101
Figure BDA0002725475240000102
式中，w表示IMU模块测得的角速度数据，bw表示角速度的偏移量，
由于ba和bw是后端的更新优化量，在前端预处理设备中无法获取该值，故在此始终假设为0，在后端更新优化后，进行相应补偿即可。根据上述公式即可不断更新计算相邻GPS帧内所有IMU数据所反应的位移增量ΔP、速度增量ΔV和旋转增量ΔQ，更新计算后，重新初始化预积分增量，监测获取新的GPS数据，再进行下一次预积分计算；
第五步，对校准后的磁力数据进行三角函数转换，得到具体的偏航角，实现指南针的效果，偏航角为对磁力计所输出的磁力数据进行三角函数计算得到一个相对于磁北的航向角，其计算公式如下：
Figure BDA0002725475240000103
式中，ψm表示最终输出的航向角，γ和θ分别代表姿态的横滚角和翻滚角，
Figure BDA0002725475240000104
为磁力计的x，y，z轴的磁力输出；
第六步，将经过处理后得到的GPS数据、IMU预积分数据和偏航角数据通过串口模块和网络模块进行实时高频输出显示，数据输出分为串口输出和网口输出，串口输出可以使用普通miniUSB线连接电脑，或任意携带USB接口的设备，在电脑上与惯性导航的预积分辅助组件进行交互，网口输出则需要一个或多个带有MQTT服务器的嵌入式设备或电脑和一个交换机来实现，本发明将通过网线连接到交换机，然后通过交换机网络连接到带有MQTT服务器的多个设备上，实现多平台数据的交互。其中输出的内容可选，包括GPS的卫星数量、卫星测量精度、定位经纬度、海拔高度、世界时间和IMU的预积分增量(位置，速度，姿态值)、角速度、加速度、时间戳、磁力计计算出的偏航角等等。
本发明采用全数据输出模式，将GPS的定位信息、卫星数、精度和INS系统所积分出来的位置、速度、姿态等全部高频输出，为上位机提供大量的数据、实时的数据和经过预处理的数据，在上位机中可以和更多的其他数据进行融合，来解决各种环境下的定位准确性问题，使用预积分的方式进行计算，仅计算相邻帧的定位信息增量，算法复杂度减小，无累计误差，并且充分利用惯性测量数据，降低了运算时间，提升了算法的实时性，且惯性导航辅助组件具有高度的集成化，极低的功耗，多样的接口，具有多种输出方式和输出内容，可适配多种不同的后端设备，为导航系统创造了更多的可能性。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：包括壳体，所述壳体内设置有主控模块，所述主控模块的输入端连接有双模GPS模块和IMU模块，所述IMU模块即惯性传感器模块，所述主控模块的输出端连接有网络模块和串口模块，所述网络模块为单芯片网络接口模块，所述串口模块为由接口转换芯片组成的模块，所述主控模块的引脚上还连接有用于在不同环境下对数据校准执行的状态控制及显示模块，所述状态控制及显示模块包括若干个用于显示当前惯性导航数据采集的状态指示灯、一个零偏校准按键和一个指南针校准按键，所述双模GPS模块的接收端连接有用于接收GPS和北斗双卫星数据的双模天线；
所述惯性导航的预积分辅助组件的数据处理方法，包括以下步骤：
第一步，主控模块接收双模GPS模块和IMU模块采集的数据；
第二步，IMU模块进行数据校准；
第三步，将双模GPS模块和IMU模块进行数据同步；
第四步，对IMU模块的数据进行预积分计算；
第五步，对校准后的磁力数据进行三角函数转换，得到具体的偏航角，实现指南针的效果，偏航角为对磁力计所输出的磁力数据进行三角函数计算得到一个相对于磁北的航向角，其计算公式如下：
Figure FDA0003684108570000011
式中，ψm表示最终输出的航向角，γ和θ分别代表姿态的横滚角和翻滚角，
Figure FDA0003684108570000012
为磁力计的x，y，z轴的磁力输出；
第六步，将经过处理后得到的GPS数据、IMU预积分数据和偏航角数据通过串口模块和网络模块进行实时高频输出显示；
所述的第四步中预积分计算步骤为：先将预积分增量进行初始化处理，该预积分增量以第k帧的IMU坐标系为参考坐标系，将xyz三轴上的位移增量ΔP初始化为0、xyz三轴上的速度增量ΔV初始化为0和将前一帧到当前帧的旋转姿态增量ΔQ初始化为单位四元数，在数据同步处理和初始化后，对获取到的两帧GPS数据内的所有IMU数据进行积分，根据IMU数据的时间间隔，通过中值法将GPS数据内的第k帧和第k+1帧之间所有的IMU数据进行积分计算，并更新第k+1帧的位移增量、速度增量和旋转姿态增量；
使用中值法对IMU数据进行积分计算，其中，计算第i个时刻与第i+1个时刻的位移变化量ΔPi+1的公式为：
Figure FDA0003684108570000021
Figure FDA0003684108570000022
式中，δt为第i个时刻至第i+1个时刻的时间间隔，a为IMU模块所测得的加速度数据，ba为加速度的偏移量；
其中，计算第i个时刻与第i+1个时刻的速度变化量ΔVi+1的公式为：
Figure FDA0003684108570000023
Figure FDA0003684108570000024
式中，w表示IMU模块测得的角速度数据，bw表示角速度的偏移量。
2.根据权利要求1所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：所述的IMU模块为高性能九轴MEMS模块，其包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，所述的IMU模块的采样率为1000Hz。
3.根据权利要求1所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：所述的双模GPS模块为高性能GPS/北斗双模定位模块，包括IPX接口和可充电后备电池，所述的双模GPS模块具有20Hz的更新速率，2.5米的定位精度，追踪灵敏度为-165dBm。
4.根据权利要求1所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：所述的主控模块的芯片型号为STM32F4系列单片机，其频率为168MHz。
5.根据权利要求1所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：所述的壳体包括底座、上盖和用于减小振动的橡胶阻尼垫，所述底座内部安装所述橡胶阻尼垫，所述底座上部与所述上盖抵接，所述底座的侧表面设置有所述状态指示灯、零偏校准按键、指南针校准按键和双模天线的接口，所述底座的底面还设有用于固定电路板的沉头孔和通孔，所述上盖的侧表面设有所述网络模块和串口模块的输出端的开孔，所述上盖的顶部设有用于固定上盖的沉头孔和通孔。
6.根据权利要求1所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：所述的第一步中双模GPS模块的数据采集速率为20Hz，IMU模块的数据采集速率为500Hz。
7.根据权利要求1所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：所述的第二步中数据校准包括加速度校准和磁力计校准，加速度计校准采用六面校准法得到增益，采用静止窗口法得到零偏，六面校准法为将惯性导航的预积分辅助组件的六个面分别朝上摆放，静止一段时间得到各个面上的重力加速度，再由此计算出零偏值和比例，磁力计校准采用旋转取最值法得到增益，通过东南西北四面静止法得到各个方向的标定值，东南西北四面静止法为将惯性导航的预积分辅助组件的前面板分别朝向真实环境中的东南西北四个方向，然后由此计算出各个方向的磁力计角度和比例。
8.根据权利要求1所述的一种惯性导航的预积分辅助组件，其特征在于：所述的第三步中数据同步根据IMU模块的数据时间序列与双模GPS模块的数据时间序列进行比较，获得两帧GPS数据内的所有IMU数据，为后面的计算提供同一段时间内的IMU变化和GPS的位置。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113124861A (zh) * 2021-03-03 2021-07-16 深圳市星砺达科技有限公司 空间辅助的电子设备定位方法、装置、计算机设备及介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102508277A (zh) * 2011-10-27 2012-06-20 中国矿业大学 精密单点定位与惯性测量紧组合导航系统及数据处理方法
CN104502938A (zh) * 2015-01-09 2015-04-08 株洲时代日望信息科技有限公司 一种用于实时监控的定位系统
CN109901201A (zh) * 2019-03-21 2019-06-18 四川航天系统工程研究所 一种北斗旋转自适应载波跟踪系统及其方法
CN111750853A (zh) * 2020-06-24 2020-10-09 国汽(北京)智能网联汽车研究院有限公司 一种地图建立方法、装置及存储介质

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7142980B1 (en) * 2004-04-29 2006-11-28 Garmin Ltd. Vehicle dash-mounted navigation device
CN102183255A (zh) * 2011-03-07 2011-09-14 中国矿业大学 综采工作面采煤机定位装置及定位方法
CN106403945B (zh) * 2016-10-20 2019-06-11 北京航空航天大学 一种低成本的物体姿态监测系统及方法
CN106597487A (zh) * 2017-02-27 2017-04-26 中国人民解放军信息工程大学 北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置及其方法
CN108240809A (zh) * 2017-12-08 2018-07-03 佛吉亚好帮手电子科技有限公司 一种基于l3gd20芯片在qnx车机系统中惯导导航的系统及方法
CN109631887B (zh) * 2018-12-29 2022-10-18 重庆邮电大学 基于双目、加速度与陀螺仪的惯性导航高精度定位方法
CN110221328A (zh) * 2019-07-23 2019-09-10 广州小鹏汽车科技有限公司 一种组合导航方法和装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102508277A (zh) * 2011-10-27 2012-06-20 中国矿业大学 精密单点定位与惯性测量紧组合导航系统及数据处理方法
CN104502938A (zh) * 2015-01-09 2015-04-08 株洲时代日望信息科技有限公司 一种用于实时监控的定位系统
CN109901201A (zh) * 2019-03-21 2019-06-18 四川航天系统工程研究所 一种北斗旋转自适应载波跟踪系统及其方法
CN111750853A (zh) * 2020-06-24 2020-10-09 国汽(北京)智能网联汽车研究院有限公司 一种地图建立方法、装置及存储介质

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"MEMS IMU and Two-Antenna GPS Integration Navigation System Using Interval Adaptive Kalman Filter";He, XF 等;《IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine》;20131230;第28卷(第10期);正文第22-27页 *

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