惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法

文档序号:6023399阅读:865来源:国知局
专利名称:惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域,特别是涉及一种基于陀螺仪、GPS导航设备的惯性导航技术,属于车载导航领域。
背景技术
车载导航技术是现代多学科的高新技术结晶。它综合了导航卫星及目标定位技术、陀螺仪等传感技术、GIS数字电子地图技术、城市智能化交通技术、GSM动态导航通讯业等高新技术。传统车载导航系统内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的M颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息,结合存储在车载导航仪内的电子地图,通过GPS卫星信号确定的位置坐标与此相匹配,进行确定汽车在电子地图中的准确位置。在定位的基础上,可以通过多功能显示器,提供最佳行车路线,前方路况以及最近的加油站、饭店、旅馆等信息。传统导航系统完全依赖GPS进行导航,而实际应用中,因城市峡谷、地下通道、高架桥、茂密丛林等原因,GPS信号被减弱或屏蔽。车载导航系统无法正常接收到GPS信号,没有坐标信息就无法与地图数据进行匹配,车载导航系统无法进行正常的导航。车载惯性导航系统能够解决因GPS信号减弱或屏蔽导致无法导航的问题。惯性导航系统从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置。随着车载导航系统的发展,惯性导航在车载精确导航中起到了越来越大的作用。 传统的导航系统仅仅依靠于GPS来进行导航会有很多的盲点。第一,就是GPS信号的减弱。 影响GPS信号减弱的因素有很多,在阴雨天气,由于云层太厚,GPS的信号会减弱,GPS接收不到有效的GPS信号导致导航失效。在林荫处,由于茂密的树叶挡住了 GPS信号,GPS的信号也会有一定程度的衰减。第二,GPS信号的屏蔽。导航系统在通过隧道过程中会没有任何GPS信号,同时,出隧道后,会有一定时间的盲区,这段时间是GPS的重新定位的时间。第三,GPS信号对于导航的无效。有时候对于GPS系统来说,GPS信号接收到了有效的信号,但是信号对于导航来说无效。例如平行路线,由于民用GPS信号是C/A码,精度为100-10米, 2条平行路线间的距离低于10米就会导致定位不准确。其实GPS有信号,对于导航来说,也无法准确定位到那一条路线。路线不准确就会导致地图匹配错误,从而导航失效。这些导致导航系统问题的因素又具备不可预知性。无法准确知道哪些时间和地点会发生,单纯的依赖GPS导航系统无法达到理想的效果。甚至在特定场合,单纯依赖GPS的导航系统没有任何的导航作用。陀螺仪是一种角运动检测装置。陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。由于陀螺仪的制造工艺的问题,同一批次的陀螺仪很有可能零点输出、温漂参数都不一样。这就需要在量产时考虑使用软硬件的算法解决由于制造工艺的问题导致的产品的参数不一致性。同一款陀螺仪由于PCB设计、SMT工艺、车辆的使用环境的原因都会有输出的不一致性。如果不对这些因素导致的问题进行处理,就会导致在量产时,无法做到产品参数的一致性。甚至同一款车载惯性导航设备中会有2次开机出现参数的不一致问题。作为未知路段的指路向导,导航系统的稳定和准确性起到很重要的作用。如果导航失效,有可能造成时间和资源的浪费。惯性导航系统作为民用精确导航系统,有潜力胜任新趋势下新一代车辆导航高精度的新要求。相关名词解释1、ADC :Analog-to-Digital Converter的缩写,是将模拟信号转换为数字信号的转换器件。2>GIS Geographic Information System,iikilliiM、^^充。3>GSM :Global System for Mobile Communications, 云力 Η$·。4, GPS =Global Positioning System,全球定位系统。5>API :Application Programming InterfticejISMiSiiISiSftC^

发明内容
本发明克服陀螺仪零点漂移和温度漂移的问题,解决了陀螺仪差异性,提供一种惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法。该方法基于硬件设备实现,惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,采用惯性导航系统,包括陀螺仪、温度传感器、GPS接收器、车速脉冲信号采集电路和嵌入式处理器, 方法包括以下步骤步骤一、分别对陀螺仪数据、温度传感器数据、GPS数据、车速脉冲信号进行采样;步骤二、对陀螺仪数据进行处理和温度补偿后,计算得到角加速度,进而算出偏移角;步骤三、对步骤一中采集到的GPS数据进行解析,得到原始坐标和初始角度;步骤四、将步骤一中采集的车速脉冲信号与车速对应表进行比对,获取车速信息, 进而得到位移;步骤五、将步骤二到步骤四中计算得出的初始角度、偏移角、位移、原始坐标数据进行融合处理,推算出下一时刻的坐标信息,从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置.因而可连续测出运动体的当前位置。优选的,上述步骤一具体包括以下步骤1. 1)对陀螺仪输出的电压数据进行采样,并将采样到的数据进行边界值处理及均值滤波处理;1. 2)读取温度传感器的数据,并对温度传感器数据进行边界值处理机处理及均值滤波处理;1.3)读取GPS接收机的数据,并对数据进行解码处理,存储在指定的内存单元中;1. 4)读取车速脉冲值,并对脉冲数据进行预处理。优选的,上述步骤二具体包括以下步骤2. 1)将温度传感器的数据和陀螺仪的原始数据导入到二维表中,计算出温度补偿后的陀螺仪数据;2. 2)对多次采样并进行温度补偿的陀螺仪数据,利用卡尔曼滤波和加权移动平均算法计算出角加速度;
2. 3)将角速度对时间积分算出偏移角。优选的,上述步骤三具体包括以下步骤3. 1)将GPS数据进行解码,获取坐标数据段和角度数据段中的数据;3. 2)将坐标数据段和角度数据段解码为16进制数据,并存储在结构体中。优选的,上述步骤四具体包括以下步骤4. 1)将采集的车速脉冲信号与车速对应表进行比对,获取车速信息;4. 2)将车速信息对时间积分获取当前时刻的位移。优选的,上述步骤五具体包括以下步骤5. 1)利用初始角度和偏移角算出设备当前的实际角度;5. 2)将实际角度、位移和原始坐标数据进行融合处理,推算出下一时刻的坐标信肩、ο优选的,上述步骤1. 1)-1. 4)通过嵌入式处理器完成。优选的,上述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于所述GPS 数据为NEMA格式。通过该方法,解决了惯性导航系统中陀螺仪参数差异性问题。车载惯性导航运行在硬件平台上,实现智能化惯性导航。具有以下方面的主要功能1.显示零点漂移的自动校正;2.实现温漂的参数补偿;3.开机自动校正陀螺仪参数;4.智能精确航位推算,相对于传统的基于GPS的导航系统,该系统具有在GPS信号很弱或没有的情况下,实现精确导航;5.车辆信息采集,车载惯性导航系统还可以收集车辆的信息,智能的监控车辆的性能和状况。并对这些信息进行诊断和分析。最后将这些信息提示给导航系统。


图1为本发明流程示意图;图2为系统硬件总体结构框图;图3为软件部分系统结构框图;图4为本发明具体流程示意图。
具体实施例方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。如图1所示,为本发明的操作流程,采用惯性导航系统,包括陀螺仪、温度传感器、 GPS接收器、车速脉冲信号采集电路和嵌入式处理器。如图3所示,软件部分分为硬件层、硬件抽象层、系统调度层,应用层。硬件层对具体的硬件寄存器及接口进行了描述,硬件抽象层是硬件层与应用层的接口,将对硬件具体的操作抽象成应用层可直接调用的API,系统调度层对系统中的资源进行分配,对任务进行调度。包括以下步骤
步骤一、分别对陀螺仪数据、温度传感器数据、GPS数据、车速脉冲信号进行采样, 该步骤具体包括1. 1)嵌入式处理器使用ADC对陀螺仪输出的电压数据进行采样,并将ADC采样到的数据进行边界值处理及均值滤波处理;1. 2)嵌入式处理器通过数字接口读取温度传感器的数据,并对温度传感器数据进行边界值处理机均值滤波处理;1. 3)嵌入式处理器通过数字接口读取GPS接收机的NEMA格式数据,并对数据进行解码处理,存储在指定的内存单元中;1. 4)嵌入式处理器通过脉冲采集电路读取车速脉冲值,并对脉冲数据进行预处理。步骤二、对陀螺仪数据进行处理和温度补偿后,利用卡尔曼滤波和加权移动平均算法计算得到角加速度,然后将角加速度对时间积分算出偏移角;该步骤具体包括2. 1)将温度传感器的数据和陀螺仪的原始数据导入到二维表中,计算出稳步补偿后的陀螺仪数据。Ct gyro A[Xtemper,Ygyro—adc]式中,α gyro 陀螺仪的角加速度。Xtemperature 温度传感器输出。Ygyro adc 陀螺仪ADC采集的原始数据。2. 2)对多次采样并进行温度补偿的陀螺仪数据,利用卡尔曼滤波对陀螺仪数据进行滤波处理。具体的卡尔曼滤波步骤如下,卡尔曼滤波的离散系统的状态方程和测量方程为Xk= Φ k, ^1Xk-!+Γ ^1Wk-!(2-1)Zk = HkXk+Vk式中)(k为k时刻的η维状态矢量,它包括角度,角速度,角加速度,这三个量又分为正北方向和正东方向,即有六个分量为k时刻的m维测量矢量。对DR进行滤波,则测量值为角加速度和速度;Φι η为k-1到k时刻的一步转移矩阵(nXn阶);Wk^1为k_l时刻的系统噪声矢量(r维);Γη为系统噪声矩阵(nXr阶),它表示由k-Ι到k时刻的各个噪声分别影响各个状态的程度;Hk为k时刻的测量矩阵(mXn阶);Vk为k时刻的m维量测噪声矢量。对方程(6-1)进行解算,要求{ffk}和{Vk}是互不相关的零均值白噪声序列,有E{ffJ =QEiWkWD = QkSkjEIVJ =0E{VkVj} = RkSkj式中 称为系统噪声方差矩阵称为测量噪声方差矩阵;在卡尔曼滤波过程中要求两者已知,且&为非负定阵,&为正定阵。S kJ是Kronec ker δ函数,艮口 下面具体说明对DR滤波的状态方程组成我们选取的观测值为陀螺仪的输出 和
\k = j车速脉冲输出的车辆在采样周期T时间内行进的距离S。即系统的观测矢量为
权利要求
1.一种惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,采用惯性导航系统,包括陀螺仪、 温度传感器、GPS接收器、车速脉冲信号采集电路和嵌入式处理器,其特征在于包括以下步骤步骤一、分别对陀螺仪数据、温度传感器数据、GPS数据、车速脉冲信号进行采样;步骤二、对陀螺仪数据进行处理和温度补偿后,计算得到角加速度,进而算出偏移角;步骤三、对步骤一中采集到的GPS数据进行解析,得到原始坐标和初始角度;步骤四、将步骤一中采集的车速脉冲信号与车速对应表进行比对,获取车速信息,进而得到位移;步骤五、将步骤二到步骤四中计算得出的初始角度、偏移角、位移、原始坐标数据进行融合处理,推算出下一时刻的坐标信息。
2.如权利要求1所述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于所述步骤一具体包括以下步骤.1.1)对陀螺仪输出的电压数据进行采样,并将采样到的数据进行边界值处理及均值滤波处理;.1.2)读取温度传感器的数据,并对温度传感器数据进行边界值处理机处理及均值滤波处理;.1.3)读取GPS接收机的数据,并对数据进行解码处理,存储在指定的内存单元中;.1.4)读取车速脉冲值,并对脉冲数据进行预处理。
3.如权利要求1所述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于所述步骤二具体包括以下步骤.2.1)将温度传感器的数据和陀螺仪的原始数据导入到二维表中,计算出温度补偿后的陀螺仪数据;.2. 2)对多次采样并进行温度补偿的陀螺仪数据,利用卡尔曼滤波和加权移动平均算法计算出角加速度;.2.3)将角速度对时间积分算出偏移角。
4.如权利要求1所述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于所述步骤三具体包括以下步骤.3.1)将GPS数据进行解码,获取坐标数据段和角度数据段中的数据;.3.2)将坐标数据段和角度数据段解码为16进制数据,并存储在结构体中。
5.如权利要求1所述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于所述步骤四具体包括以下步骤.4.1)将采集的车速脉冲信号与车速对应表进行比对,获取车速信息;.4.2)将车速信息对时间积分获取当前时刻的位移。
6.如权利要求1所述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于所述步骤五具体包括以下步骤.5.1)利用初始角度和偏移角算出设备当前的实际角度;.5.2)将实际角度、位移和原始坐标数据进行融合处理,推算出下一时刻的坐标信息。
7.如权利要求2所述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于所述步骤1. 1)-1. 4)通过嵌入式处理器完成。
8.如权利要求2或4所述的惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,其特征在于 所述GPS数据为NEMA格式。
全文摘要
本发明提供一种惯性导航中陀螺仪参数的差异性解决方法,采用惯性导航系统,其包括以下步骤步骤一、分别对陀螺仪数据、温度传感器数据、GPS数据、车速脉冲信号进行采样;步骤二、对陀螺仪数据进行处理和温度补偿后,计算得到角加速度,进而算出偏移角;步骤三、对步骤一中采集到的GPS数据进行解析,得到原始坐标和初始角度;步骤四、将步骤一中采集的车速脉冲信号与车速对应表进行比对,获取车速信息,进而得到位移;步骤五、将步骤二到步骤四中计算得出的初始角度、偏移角、位移、原始坐标数据进行融合处理,推算出下一时刻的坐标信息。通过该方法,解决了惯性导航系统中陀螺仪参数差异性问题。
文档编号G01C21/18GK102538790SQ20111037564
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者钟佳明, 龚红波 申请人:武汉光庭科技有限公司
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