一种IMU-GPS组合导航的航向角确定方法与流程

本发明属于车辆工程、自动驾驶、组合导航领域，具体涉及一种imu-gps组合导航的航向角确定方法。

背景技术：

1、在自动驾驶和高级辅助驾驶领域，驾驶的安全性能极其重要，为了使得各种路况条件下，都能对周边环境有一个良好的判断，一个精确的定位系统是必不可少的。对自动驾驶技术来说，至关重要的一步就是导航定位系统，导航定位系统使车辆随时知道车身所在位置以及周边环境情况，但是仅仅依靠卫星导航定位系统是远远不够的，在隧道、地库、城市峡谷等卫星定位信号差的路况，卫星定位提供的位置输出是不可靠的，此时系统需要利用惯性测量单元(imu:inertial measurement unit)来测量车辆运行轨迹、判断车辆位置。通过组合导航进行kalman信息融合后进行输出可以提供精确的定位，在卫星信号消失的路况也可以进行导航定位。但是在卫星信号消失的路况中也达到厘米级的精确定位，需要用到高精度的惯性导航元器件，成本一般会达到几万甚至几十万，对于车载导航来说，成本过高，不会应用到量产产品的开发当中。低成本惯性导航器件中，加速度计和陀螺仪容易受环境影响，而导致输出值含有较大噪声。在长时间的航向角计算过程中，需要不断对加速度计和陀螺仪输出做积分处理，而积分过程会将每次的误差累积起来，这会使得导航信息产生很大误差，估算出来的结果不准确。

2、申请号为：cn201310532435.6的发明申请，公开了“基于卫星导航接收机的gnss和mimu组合导航航向角估计方法”，其步骤为：(1)利用卫星导航接收机获取可见卫星星历信息、接收机与可见卫星间的相对速度、相对加速度矢量和载体位置、速度信息，计算得到载体加速度矢量；(2)建立sins在地心地固坐标系中的比力测量方程，根据卫星导航接收机测量得到的载体加速度矢量和mimu中加速度计的测量值，采用动态调平计算水平姿态角；(3)根据比力测量方程，利用卫星导航接收机测量得到的加速度矢量、加速度计的测量值、计算得到的水平姿态角、速度矢量和当地重力矢量，求解得到航向角信息。

3、申请号为：cn202010606149.x的发明申请，公开了“一种基于前端融合的航向角计算方法”，包括惯导模块、前端融合模块和定位算法模块，惯导模块输出原始imu数据，定位算法模块计算处理得出位姿数据，前端融合模块包括卡尔曼滤波单元和运动模型计算单元，前端融合模块接收位姿数据和原始imu数据处理得到包括航向角、角速度和线加速度的融合imu数据输出给定位算法模块，其航向角计算方法以定位算法模块输出的位姿数据作为观测实现航向角增量卡尔曼滤波的方法；还有采用运动模型进行更新的航向角输出方法，该方法能够实现为定位算法提供一个较准确的航向角估计，可及时修正定位算法在配准时偶发的位置丢失问题，提升定位的可靠性和稳定性。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，使得无卫星信号时刻的航向角更加准确，本发明提供了一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其技术方案具体如下：

2、一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于包括如下步骤：

3、s1：以陀螺仪计算的转角与转速差计算的转角两者为加和因子，

4、基于陀螺仪实时动态漂移误差对两加和因子赋予各自实时动态变化的权重系数，据此建立由每一个时间步长下的融合实时动态变化的权重系数及陀螺仪计算的转角与转速差计算的转角的加权求和表征的航向角改变量；

5、s2：基于初始航向角及时间序列上的第一个时间步长下的航向角改变量确定第一个时间步长时刻的航向角；之后的实时航向角则根据前一时间步长的航向角与当前时间步长下的航向角改变量确定。

6、根据本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于：

7、两加和因子各自实时动态变化的权重系数以互斥关系建立。

8、根据本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于：

9、所述的基于陀螺仪实时动态漂移误差对两加和因子赋予各自实时动态变化的权重系数，具体为：

10、首先根据陀螺仪的实时动态漂移误差建立基于动态漂移的第一误差系数；

11、然后再根据实时的陀螺仪计算的转角与实时的转速差计算的转角建立基于转角差的第二误差系数；

12、最后根据第一误差系数及第二误差系数建立权重系数表达，并据此权重系数完成各加和因子的权重系数设置。

13、根据本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于：

14、根据陀螺仪的实时动态漂移误差建立基于动态漂移的第一误差系数，具体为：

15、首先基于实验室确定陀螺仪于实验静置下的动态漂移，据此建立误差基准；

16、然后根据建立的误差基准、结合对陀螺仪实时动态漂移的监测，确定相应的基于动态漂移的第一误差系数。

17、根据本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于：

18、所述的根据实时的陀螺仪计算的转角与实时的转速差计算的转角建立基于转角差的第二误差系数，具体如下：

19、r＝|angel_gyro-angel_wheel|，

20、式中，

21、r：第二误差系数；

22、angel_gyro：陀螺仪计算的转角，单位：度；

23、angel_wheel：转速差计算的转角，单位：度。

24、根据本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于：

25、所述的第一误差系数，根据下式确定：

26、

27、式中，

28、q：第一误差系数；

29、q_0：权重初始参数值；

30、wz：陀螺仪的实时动态漂移；

31、wz0：陀螺仪于实验静置下的动态漂移。

32、根据本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于：

33、所述的根据第一误差系数及第二误差系数建立权重系数表达，并据此权重系数完成各加和因子的权重系数设置，具体为：

34、先根据第一误差系数及第二误差系数建立权重系数的如下表达：

35、k＝q/(q+r)，

36、然后根据权重系数完成的对各加和因子的权重系数设置，从而建立对航向角改变量的如下：

37、angel_gyro_true＝(1-k)×angel_gyro+k×angel_wheel，

38、式中，

39、k：权重系数；

40、q：第一误差系数；

41、r：第二误差系数；

42、angel_gyro：陀螺仪计算的转角，单位：度；

43、angel_wheel：转速差计算的转角，单位：度；

44、angel_gyro_true：当前时刻的航向角改变量，单位：度。

45、根据本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，其特征在于：

46、权重初始参数值q_0根据实际的陀螺仪性能确定。

47、本发明的一种imu-gps组合导航的航向角确定方法，基于陀螺仪计算的转角与转速差计算的转角，并结合陀螺仪实时动态的姿态误差建立的实时动态变化的权重，融合确定出对实时航向角改变量的表征，技术方案整体设置简单高效低成本，具有广泛的替代及实用性。