基于MIMU与超声多普勒里程仪的陆用车辆组合导航技术研究

论文摘要

现代车辆对高精度、高可靠性导航系统的需求和要求都在日益增长，但是还没有一种单独的导航系统可以真正实现对载体的高精度、高可靠性定位，因此组合导航便成为了车载导航的主要发展方向，基于微惯性测量单元（MIMU）/超声多普勒里程仪（UDVL）的组合系统能真正实现低成本、高精度导航，可以作为未来车辆导航的较为理想的模式。本文的主要研究内容：首先，详细分析了基于MIMU的捷联惯性导航系统和超声多普勒里程仪系统的工作原理和误差模型，说明了两者进行组合的必要性。其次，完成了系统初始对准的粗对准，并利用粗对准得到的初始姿态角通过姿态矩阵的四元数更新法以及卡尔曼滤波，给出了姿态误差角的最优估计，完成了精对准。给出了几种超声多普勒里程仪测频算法的仿真分析，通过仿真结果确定了超声多普勒里程仪的实用测频算法。建立了基于MIMU/UDVL紧组合模式下的状态方程和量测方程，设计了高精度的无迹卡尔曼滤波器来进行组合系统的数据融合。再次，完成基于DSP的超声多普勒里程仪的硬件设计，包括超声换能器的设计，发射和接收部分的设计，以及DSP外围电路的设计；在CCS开发环境下，完成了超声波发射系统中SPWM波的软件设计，AD采样的软件设计，并进行了测频算法的软件实现。最后，对基于MIMU/UDVL组合系统的初始对准算法进行了仿真验证，结果表明，初始对准算法可以成功完成对准的任务，为组合系统的后续工作提供准确的初始条件；对组合系统进行了卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波的对比仿真，结果表明，组合系统相比单一系统，导航精度有很大的提高，无迹卡尔曼可以以最好的性能来完成组合系统的数据融合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.3 相关技术国内外发展概况
• 1.3.1 MIMU 发展概况
• 1.3.2 DVL 发展概况
• 1.3.3 基于 MIMU/UDVL 车载组合导航系统发展概况
• 1.4 本论文主要研究内容和结构安排
• 第2章 导航子系统原理与误差分析
• 2.1 SINS 基本原理
• 2.1.1 常用坐标系定义
• 2.1.2 相关参数说明
• 2.1.3 SINS 的工作原理
• 2.2 SINS 误差分析
• 2.2.1 惯性元件误差
• 2.2.2 系统误差方程
• 2.3 UDVL 基本原理
• 2.3.1 多普勒效应
• 2.3.2 UDVL 测速原理
• 2.3.3 UDVL 测速误差分析
• 2.3.4 陆用和船用多普勒里程仪之比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 MIMU/UDVL 组合导航关键技术
• 3.1 SINS 初始对准
• 3.1.1 对准方案
• 3.1.2 SINS 静基座初始对准线性误差模型建立
• 3.1.3 初始对准线性卡尔曼滤波器模型的建立
• 3.1.4 初始对准流程图
• 3.2 姿态矩阵更新算法
• 3.3 SINS 解算流程图
• 3.4 UDVL 测频方法研究
• 3.4.1 过零检测法
• 3.4.2 复相关法
• 3.4.3 现代功率谱估计法
• 3.4.4 UDVL 各种测频算法仿真比较
• 3.5 基于 MIMU/UDVL 的组合方法研究
• 3.5.1 组合系统工作模式
• 3.5.2 组合系统的校正
• 3.6 MIMU/UDVL 组合系统的无迹卡尔曼滤波器设计
• 3.6.1 UKF 设计
• 3.6.2 组合导航系统模型的建立
• 3.7 本章小结
• 第4章 陆用超声多普勒里程仪设计
• 4.1 基于 DSP 的硬件设计
• 4.1.1 电源部分
• 4.1.2 脉冲收发电路
• 4.1.3 DSP 及其外围电路设计
• 4.2 系统软件设计
• 4.2.1 SPWM 波的软件设计
• 4.2.2 AD 采样软件设计
• 4.2.3 UDVL 频率测量软件的设计
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于 MIMU/UDVL 组合导航系统仿真验证
• 5.1 初始对准仿真及结果分析
• 5.2 组合导航系统的仿真及结果分析
• 5.3 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