基于松耦合方式的低成本GPS-SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、目前,四軸飛行器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,如軍事、交通和物流等。作為實(shí)現(xiàn)其自主任務(wù)飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一,四軸飛行器的低成本導(dǎo)航已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。GPS/SINS松組合導(dǎo)航是最容易實(shí)現(xiàn)的組合導(dǎo)航形式。但應(yīng)用于四軸飛行器的低成本導(dǎo)航系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。慣性傳感器較大的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)噪聲是影響系統(tǒng)性能的主要因素,導(dǎo)航結(jié)果的漂移嚴(yán)重。低成本GPS則容易受多徑效應(yīng)等影響,使得組合導(dǎo)航濾波器發(fā)散。此外,四軸飛行器不同狀態(tài)下的傳感器統(tǒng)計(jì)噪聲難以估計(jì)

2、。
　　本文針對(duì)四軸飛行器的特性,詳細(xì)地闡述了一個(gè)采用松耦合方式的低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求和指標(biāo),本文首先闡述了系統(tǒng)總體的方案設(shè)計(jì)并搭建了硬件平臺(tái)。利用制作的系統(tǒng)硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù),本文分析了極低成本慣性傳感器的誤差,并針對(duì)傳感器的系統(tǒng)誤差設(shè)計(jì)了標(biāo)定算法,針對(duì)傳感器的隨機(jī)誤差設(shè)計(jì)了前置濾波算法。為了抑制GPS的突變數(shù)據(jù),根據(jù)四軸飛行器的低動(dòng)態(tài)性能,本文建立了定常速度模型,并利用卡爾曼濾波技術(shù)設(shè)計(jì)了GPS的前置濾波算

3、法。標(biāo)定及前置濾波結(jié)果顯示,設(shè)計(jì)的算法可有效提高傳感器的性能。
　　為實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)融合,本文詳細(xì)推導(dǎo)了低成本SINS的誤差傳遞方程,包括位置、速度和姿態(tài)的擾動(dòng)方程,并以此建立了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程。為了有效估計(jì)系統(tǒng)的觀測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性,本文對(duì)磁力計(jì)和氣壓高度計(jì)與四軸飛行器電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。飛行實(shí)驗(yàn)證明,本文設(shè)計(jì)的低成本GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可有效提高導(dǎo)航精度,可以滿足實(shí)時(shí)導(dǎo)航應(yīng)用。
　　相比國(guó)內(nèi)外已有研究

4、成果,本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括:
　　1.設(shè)計(jì)了低成本MEMS-IMU的快速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定算法。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),極低成本的傳感器的零偏時(shí)變特性并不顯著,因此可以僅對(duì)固定零偏進(jìn)行快速標(biāo)定。設(shè)計(jì)的標(biāo)定算法可以不借助其他設(shè)備快速標(biāo)定傳感器的零偏、尺度因子等;
　　2.針對(duì)低成本慣性傳感器存在較大隨機(jī)噪聲問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了前置濾波算法,并利用Allan方差估計(jì)了濾波前后的白噪聲強(qiáng)度;利用四軸飛行器的低動(dòng)態(tài)特性,設(shè)計(jì)了GPS的前置卡爾曼濾波算法;<