微小型车载惯性/GPS组合导航系统技术研究

论文摘要

随着精度的提高和成本的降低,以微惯性器件构成的惯性导航系统已可以应用于车辆导航。惯性导航系统具有自主、短时测姿和定位精度较高的特点。与GPS组合以后,可以有效地解决GPS自主性差、易受干扰、数据更新频率低等问题,进而提高导航系统的自主性。本文在分析惯性导航系统原理和应用方式的基础上,完成了微小型车载惯性/GPS组合导航系统的设计。提出了基于微惯性器件的惯性导航系统的简化算法,给出了系统初始条件的给定和初始数据的计算过程、实用的误差处理方法和数据优化方法、以及惯性/GPS组合导航方式。完成了系统的软硬件设计、系统调试与初步的性能测试。微小型车载惯性/GPS组合导航系统由PC/104嵌入式工业主机、通讯接口卡、GPS接收机、导航信息解算处理装置、电子罗盘等组成。各模块之间主要通过CAN总线通讯,系统能够定时输出车辆的位置(经、纬度)、方位角、姿态角和速度。论文详细描述了通讯接口卡和导航信息解算处理装置的设计过程,给出了设计框图和各模块的原理图,详细描述了通讯接口卡、导航信息解算处理装置、PC/104工业主机的软件设计流程,给出了系统的通讯协议和人机界面等设计结果。论文给出了通讯接口卡和导航信息解算处理装置的调试过程,给出了惯性导航系统静基座性能测试实验、MIMU/GPS组合导航系统静基座性能测试实验和系统动态性能验证实验结果,验证了微小型车载惯性/GPS组合导航系统原理设计的正确性,进一步工程化后可以用于车辆导航。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景、目的和意义
• 1.2 相关技术国内外发展现状
• 1.2.1 微型惯性测量单元
• 1.2.2 MIMU/GPS 组合导航系统
• 1.2.3 车载导航系统
• 1.3 主要研究内容及结构安排
• 第2章 惯性导航理论
• 2.1 捷联惯导系统工作原理
• 2.1.1 坐标系定义
• 2.1.2 坐标系之间的相互变换
• 2.1.3 捷联惯导系统工作原理
• 2.2 初始条件的给定和初始值的计算
• 2.2.1 初始条件给定
• 2.2.2 初始数据计算
• 2.3 误差处理及数据优化方法
• 2.3.1 角速度偏置误差处理
• 2.3.2 方位角误差的处理
• 2.4 MIMU/GPS 组合导航
• 2.4.1 松散组合
• 2.4.2 紧密组合
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统硬件设计与实现
• 3.1 总体方案
• 3.2 通讯接口卡设计与实现
• 3.2.1 主处理器
• 3.2.2 共享存储器模块
• 3.2.3 总线接口电路
• 3.2.4 逻辑控制电路
• 3.2.5 电源电路
• 3.3 导航信息解算处理装置设计与实现
• 3.3.1 主处理器
• 3.3.2 MIMU
• 3.3.3 CAN 模块
• 3.3.4 Flash 存储器
• 3.3.5 电源电路
• 3.4 其它硬件设备的应用
• 3.4.1 GPS 接收机
• 3.4.2 电子罗盘
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统软件设计与实现
• 4.1 系统通讯协议
• 4.1.1 通讯接口卡与上位机的通信协议
• 4.1.2 GPS 导航信息
• 4.1.3 导航信息解算处理装置输出信息
• 4.1.4 电子罗盘发送的方位角和姿态角
• 4.1.5 电子罗盘横摇角输入
• 4.2 通讯接口卡软件
• 4.2.1 DSP 的CMD 文件
• 4.2.2 初始化程序
• 4.2.3 CAN 总线设备通信程序
• 4.2.4 GPS 数据接收程序
• 4.3 导航信息解算处理装置软件
• 4.3.1 DSP 的CMD 文件
• 4.3.2 初始化程序
• 4.3.3 MIMU 通信程序
• 4.3.4 MIMU/GPS 组合导航程序
• 4.3.5 CAN 总线通讯程序
• 4.4 人机接口软件
• 4.4.1 人机界面
• 4.4.2 后台通信程序
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统调试与测试
• 5.1 系统实物介绍
• 5.1.1 印制电路板
• 5.1.2 系统实物图
• 5.2 系统调试
• 5.2.1 主要模块的调试过程
• 5.2.2 系统调试中的故障处理
• 5.3 系统测试
• 5.3.1 惯性导航系统静基座性能测试
• 5.3.2 组合导航系统静基座性能测试
• 5.3.3 动态性能验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录