GNSS/IMU/LiDAR融合定位研究

为提升低成本卫星接收机和惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)条件下传统组合导航定位的抗干扰性和定位精度,本文通过融合GNSS、IMU、激光雷达(laser radar,LiDAR)来提高定位的鲁棒性及定位精度.在高楼遮挡等复杂环境下由于卫星信号丢失导致卫星定位结果降低,可通过GNSS与IMU的组合来提升导航定位的鲁棒性及其精度.如果卫星信号缺失时间过长,那么低成本条件下的GNSS/IMU组合定位精度仍不理想,本文提出利用LiDAR里程计输出的位置信息与传统组合导航通过扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)进行融合定位.实验得出:在无遮挡的环境下融合定位标准差(standard deviation,STD)精度较之卫星定位提升53.7%,均方根误差(root mean square error,RMSE)精度提升56%,较之GNSS/IMU组合定位STD精度提升37.9%,RMSE精度提升38.6%.在有遮挡的环境下融合定位STD精度较之卫星定位提升59.4%,RMSE精度提升71.3%,较之GNSS/IMU组合定位STD精度提升26.3%,RMSE精度提升33.7%.

天文导航高精度自适应航姿与时间同步技术

船用天文导航设备因采用数学解算平台,在前端原始数采样时需进行滤波处理,数据输出与同步脉冲信号输出存在时延,一旦同步脉冲信号被干扰,对外输出数据将失去实时性。针对此问题,本文提出一种高精度自适应航姿同步技术,通过建立自适应基准脉冲为预处理模块与导航解算模块提供容错空间,结合外部时间信息实时进行时间同步自校正,避免同步信号丢失造成的时间同步异常,实现上级系统对船用导航系统多样化同步需求下高频实时数据输出。试验结果表明,该方法可行有效,可提高航姿信息实时性与可靠性。

基于三轴转台误差分析的IMU标定方法

为了减小三轴转台误差对惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)误差模型系数标定精度的影响,提高IMU在三轴转台上的标定精度,首先分析了三轴转台各误差源,给出了陀螺仪和加速度计的输出与转台的位置、姿态误差之间的关系。据此设计了正十二面体-20点的位置和速率试验计划。该方法能同时辨识出IMU的误差模型系数以及转台误差源,自动补偿了三轴转台的误差,提高IMU误差模型系数的标定精度。最后对理论分析结果进行仿真验证,给出了转台误差与IMU误差模型系数标定误差之间的关系。

IMU姿态测量误差对激光脚点精度影响与模拟计算

介绍了机载激光扫描的现状。在机载激光扫描系统定位原理的基础上,讨论了俯仰角、侧滚角、偏航角误差对激光脚点定位精度的影响并进行了详细分析;利用目前IMU实际测量精度进行模拟计算,得出了一些有益结论,对于理解机载激光雷达定位精度和实际应用具有一定的指导意义。

一种IMU数据采集软件的设计与实现

激光捷联惯组的寻北及导航精度是武器装备的重要指标之一,它决定着打击瞄准目标的准确度和精度。而提高对激光捷联惯组惯性测量单元(Inertial Measure Unit,IMU)原始信号的采样准确性,确保激光捷联惯组寻北、导航解算所使用的IMU输入数据的可靠性和精度,是保证激光捷联惯组的寻北及导航精度的基础。设计的IMU数据采样软件采用定时中断采集IMU的原始数据,通过FIR滤波后进行寻北及导航解算。经应用验证:激光捷联惯组IMU数据采集处理方法可靠,采集标称精度0.003°/h的激光陀螺、偏值不超过5mg的石英挠性加速度计,可以保证IMU器件的原始精度,满足激光捷联惯组寻北和导航精度要求。

自适应FLP滤波在激光陀螺IMU标定中的应用

激光陀螺的高频机抖使得激光陀螺惯性测量单元(IMU)的测量数据包含较大的随机噪声。传统标定方法通过延长测量时间消除对随机噪声的影响,降低了标定效率。提出了应用自适应前向线性预测(FLP)滤波对激光陀螺IMU的标定数据进行降噪,在较小标定数据量情况下提高系统的标定精度。首先通过四方位正反速率标定试验获得原始标定数据;然后通过自适应FLP滤波器对标定数据进行噪声抑制;最后利用降噪后的数据计算标定参数。试验结果表明,该方法能够有效抑制标定数据中的随机噪声,提高信号的信噪比(SNR),从而在标定数据量较小的情况下得到较高精度的标定参数,提升系统的导航精度。

无依托瞄准技术在运载火箭基准确立上应用的研究

针对大型运载火箭无人值守瞄准的需求,提出一种基于激光捷联惯组与瞄准仪相结合的无依托瞄准方法,通过激光惯组自主寻北获得北向基准,再测量出箭上惯性单元棱镜法线与返回光束的准直偏差角,将数据进行合成、解算,最终获得箭上惯组棱镜的初始方位。无依托瞄准技术具有组成简单、自动化程度高、操作流程简化、精度指标可靠的特点,可以提供不大于2’的瞄准综合误差,技术成果满足中国航天发射任务的应用需求,可供未来大型运载火箭瞄准方式参考。

激光陀螺惯组系统级标定方法

针对激光陀螺惯性测量组件在传统的分立式标定中受橡胶减震器影响的问题,从系统的角度对激光陀螺惯性测量组件的标度因数误差、安装误差传播规律进行分析。通过分别绕三只陀螺敏感轴转动激发激光陀螺的标度因数误差、安装误差,通过三只加速度计敏感轴分别指天激发加速度计的标度因数误差、安装误差和零位,从而完成激光陀螺惯性测量组件的系统级标定。在未进行温控及温补的情况下,陀螺仪标度因数误差重复性在3.5×10^(-6)以内,安装误差重复性在3″以内,加速度计标度因数误差和零位在其性能指标内,安装误差在4.5″以内。试验结果表明,该方法满足高精度、长期稳定性好的惯导系统工程应用要求。

激光陀螺动态特性研究(二)

针对激光陀螺动态特性中的相频特性,分析了相位延迟对导弹控制系统实时性和机动性的影响,并指出隔振器不会引入相位延迟,而有限冲击响应(FIR)滤波是造成激光陀螺相位延迟的主要因素.基于角振动台和惯性测量装置(IMU)台体,设计了4个试验状态,采用正弦激励法对激光陀螺的相频特性进行了实际测试.测试结果表明,隔振器的延迟时间最大不超过0.051ms,延迟时间主要来自FIR滤波,符合理论分析结果.

基于振动陀螺的动态零位校准及其误差补偿

根据固态振动陀螺输出信号和噪声特点对其构成的低成本惯性测量单元(IMU)的原始传感信号进行了快速小波滤波和灰色理论建模处理。运用累加生成操作(AGO)方法得到有规则的单值对应非线性函数,并获得陀螺零位输出在三维空间中的单值映射模型。以时间和温度为输入,根据灰色神经网络建立陀螺的漂移模型,对累加生成方法生成的单值对应非线性函数进行逼近,从而提高了动态测量精度。同时采用活动阈值融合算法,优化陀螺和加速度计动态测量数据。实验证明,上述方法和算法有效提高了系统测量精度。

惯性传感器技术及发展

论述了惯性传感器的发展过程和其在惯性导航系统中的地位 ,对新型惯性传感器 :壳体谐振陀螺仪、微机械电子系统惯性传感器、光纤陀螺仪的原理、性能和研究现状作了分析 ,最后指出了惯性传感器的发展方向。

现代军用MEMS惯性传感器技术进展

现代化军事需求小型惯性传感器。技术已成熟的惯性导航和制导系统包括机械陀螺、环形激光陀螺(RLGs)、光纤陀螺(FOGs)以及半球共振陀螺(HRGs)。现在主要用于军事的还有微机电系统(MEMS)陀螺仪和加速计。采用光子晶体光纤(PCFs)的干涉光纤陀螺(IFOGs),即PC—IFOGs。重点阐述MEMS/集成光(IO)波导惯性传感器技术进展。分析小型陀螺仪和加速计技术发展前景及在未来快速反应,精确打击中的作用。

速率偏频激光捷联惯组加速度计分析

速率偏频激光捷联惯组的定向精度除与激光陀螺仪有关外,还与加速度计有关,因此,研究加速度计的指标体系对提高整个速率偏频激光捷联惯组的性能和精度有重要意义。从初始对准和航向保持两个方面研究了加速度计对定向精度的影响:加速度计零偏误差和随机游走均会导致初始对准航向角误差。为了得到高精度的航向保持精度,速率偏频激光惯组的3个加速度计的漂移趋势需要保持一致。试验结果表明,加速度计的零偏稳定性提高4倍,初始对准航向角统计精度提高30%;加速度计精度相同情况下,加速度计漂移趋势一致的速率偏频激光捷联惯组,相比其漂移趋势不一致的速率偏频激光捷联惯组,航向保持精度提高了57%。

基于捷联惯性导航系统姿态实时性的研究

针对激光陀螺捷联惯性导航系统信号采集、姿态解算、数据输出实时性问题,分析三轴激光陀螺仪和三轴加速度计传感器惯性组件IMU、里程计、高度计、GPS/北斗等数据输入和输出。数据交换一般采用RS-232串行接口、CAN总线接口,难以满足传感器高速实时采样。因此,提出一种采用FPGA双口RAM+双DSP高速数据存取方式,按照时钟同步周期分别实时输出导航数据,可有效解决数据发送、处理、传输到各设备之间的瓶颈问题,最高输出频姿态率可达100 kHz^2000 kHz,实现捷联导航系统姿态状态快速反应能力。实验和仿真表明,该方法可以大大提高系统的周期解算能力,提高载体的机动性能。

基于QUEST算法的激光惯组初始定姿研究

QUEST算法是一种基于多矢量观测的最优化定姿算法。首先针对QUEST算法进行了数值仿真,验证了算法的正确性,然后针对某型激光惯组,应用QUEST算法,设计了详细的初始定姿算法流程,最后进行了激光惯组静态初始定姿实验和连续旋转初始定姿实验。实验结果表明,所设计的初始定姿算法,在激光惯组静止和连续转动情况下,姿态角均较快收敛,且具有一定的姿态跟踪性能,初始定姿结束后均得到较高姿态角精度。进一步分析,本算法也能较好适应其它类型的大角运动干扰情形下的激光惯组初始定姿。

高鲁棒性两阶段激光雷达-惯性测量单元外参在线标定算法

针对车辆在近似平面上运动时,退化的传感器数据难以标定外参的问题,提出了一种高鲁棒性两阶段激光雷达-惯性测量单元(LiDAR-IMU)外参在线标定算法。标定算法包括剔除外点的解析解初值计算和非线性滑窗在线迭代优化两个阶段。第一阶段剔除预数据集中的外点,以滑动窗口的形式多次求解只包含旋转分量的手眼标定模型,并改进解析解筛选的条件,求解出多解加权旋转外参的SVD解析解。第二阶段最小化包含外参的残差函数,以旋转解析解为初值滑动窗口迭代优化六自由度外参,使外参快速收敛,并在退化运动和错误历史约束过大时固定外参,避免外参退化。与原始算法对比,该算法对退化的传感器数据具有鲁棒性,可在无外参初值的情况下实现精准鲁棒地在线标定外参。

一种惯性测量组合陀螺常值漂移外场标定方法

针对惯性测量组合(IMU)外场标定问题,文中提出一种IMU陀螺常值漂移3位置外场标定方法。在静基座条件下,先利用二次对准技术测出产品的姿态角,再利用卡尔曼滤波估计北向陀螺漂移,结合3个位置的姿态角和北向陀螺漂移,再利用最小二乘法对陀螺漂移进行求解。仿真结果表明,该标定方法简单易行,无需转台,能够对陀螺常值漂移进行有效估计。

激光陀螺捷联惯组角动态误差分析及其抑制方法

二频机抖激光陀螺捷联惯组在高动态载体上的角动态误差日渐成为影响其应用精度提升的重要因素。针对此问题,从各陀螺抖动耦合激励惯性敏感器本体组件圆锥运动产生误差,以及载体过载、振动环境引起陀螺敏感轴弯曲变形摆动产生单表级圆锥误差两个方面,对激光陀螺动态误差进行了理论分析。结合工程应用实际情况,分别对两项误差进行计算和仿真,得出理论误差可达0.01(°)/h以上,必须进行抑制的结论。根据误差产生机理,总结了合理配置各陀螺抖动频率和提升陀螺敏感轴弯曲刚度以抑制其弯曲变形的措施,并给出了抑制效果,可为提升激光陀螺捷联惯组角动态精度提供参考。

飞行控制用激光陀螺的一种滤波方法

采用传统的FIR低通滤波器对激光陀螺输出信号滤波后会产生较大的时间延迟,使得滤波后信号难以满足姿态控制系统的要求。为了保证响应时间与导航精度均满足需求,本文研究了低阶FIR低通滤波器与自适应IIR陷波器相结合的滤波方法。理论仿真和试验结果表明,该方法可以有效的消除激光陀螺抖动偏频信号,同时能够显著缩短时间延迟,具有工程实用价值。

融合多元信息的武器装备性能评估方法

针对武器装备结构层次复杂、评估指标多元等问题,采用一种融合多元信息的性能评估方法对武器装备性能进行评估。该方法考虑装备指标信息的可靠度和权重,构建了多层评估指标体系。基于证据推理规则将多元信息进行融合,得到装备性能评估结果,从而为解决装备性能评估问题提供决策依据。最后,对某型装备中激光惯性组合(inertial measurement unit,IMU)的性能进行评估,验证了所提方法的有效性。