【摘要】：航向角、俯仰角及橫滾角均為航姿參數(shù),它們構(gòu)成一組歐拉角,完整描述了載體航姿狀態(tài)。航姿參數(shù)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、動(dòng)作跟蹤、虛擬現(xiàn)實(shí)、輔助駕駛等諸多領(lǐng)域。MEMS陀螺、MEMS加速度計(jì)及AMR磁傳感器憑借體積小、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為在各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)航姿參數(shù)估計(jì)的常用傳感器。本文從陀螺隨機(jī)誤差補(bǔ)償、三軸磁傳感器標(biāo)定以及航向估計(jì)算法等方面研究慣性與磁傳感器組合航向估計(jì)方法。論文創(chuàng)新工作主要包括以下三個(gè)方面。1)實(shí)現(xiàn)了一種與非線性模型結(jié)合的新型風(fēng)險(xiǎn)敏感無(wú)跡卡爾曼濾波器算法。風(fēng)險(xiǎn)敏感無(wú)跡卡爾曼濾波具有較強(qiáng)的魯棒性,非線性模型可實(shí)現(xiàn)誤差參數(shù)在線估計(jì),具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。為將兩者相結(jié)合,應(yīng)用增廣狀態(tài)向量方法將非加性噪聲列為狀態(tài)變量,應(yīng)用噪聲方差陣計(jì)算噪聲Sigma點(diǎn),完成時(shí)間更新UT變換;為提高算法數(shù)值穩(wěn)定性,在計(jì)算過(guò)程中引入QR分解與喬累斯基因子更新技術(shù)實(shí)現(xiàn)方差陣平方根因子的更新計(jì)算:此外,為提高算法靈活性,在風(fēng)險(xiǎn)敏感更新中將風(fēng)險(xiǎn)因子擴(kuò)展為矩陣形式。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同模型與濾波器組合形式處理陀螺隨機(jī)誤差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:新型風(fēng)險(xiǎn)敏感無(wú)跡卡爾曼濾波器算法與非線性模型結(jié)合使用,有效改善了MEMS陀螺隨機(jī)誤差的補(bǔ)償效果。2)提出了一種基于誤差參數(shù)幾何意義的等效兩步標(biāo)定方法。磁傳感器標(biāo)定是地磁測(cè)量中補(bǔ)償各種確定性誤差,提升測(cè)量精度的必要手段。為實(shí)現(xiàn)獨(dú)立完整標(biāo)定提出了等效兩步法,內(nèi)容包括:將測(cè)量畸變效果等效為依次進(jìn)行的坐標(biāo)變換,基于誤差參數(shù)的幾何意義將標(biāo)定過(guò)程分為等效傳感器標(biāo)定與等效非對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定;分別應(yīng)用標(biāo)量法與主成分分析方法完成等效傳感器標(biāo)定與等效非對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定,并針對(duì)符號(hào)錯(cuò)誤與標(biāo)定軸不正交問(wèn)題提出了符號(hào)修正與正交修正方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在無(wú)需航姿參考與輔助傳感器條件下,等效兩步法實(shí)現(xiàn)了三軸磁傳感器獨(dú)立完整標(biāo)定。3)在組合航向估計(jì)算法中構(gòu)建了基于載體狀態(tài)的航向穩(wěn)定量測(cè)方程,并改進(jìn)了算法量測(cè)更新方式�；趥鞲衅餍畔⑷诤系暮较蚬烙�(jì)算法應(yīng)對(duì)環(huán)境磁干擾的傳統(tǒng)策略是,當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)降低磁傳感器量測(cè)權(quán)重,這將使航向估計(jì)時(shí)間更新值失去有效修正,不利于保持航向估計(jì)的準(zhǔn)確性。針對(duì)這一問(wèn)題,利用載體狀態(tài)特征構(gòu)建了航向穩(wěn)定量測(cè)方程。內(nèi)容包括:推導(dǎo)航向穩(wěn)定量測(cè)方程的兩種形式,并采用第一種形式改進(jìn)航向估計(jì)算法:為描述載體狀態(tài),通過(guò)分析不同傳感器信號(hào)間相關(guān)性構(gòu)建載體狀態(tài)表征變量。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)分析載體狀態(tài)表征變量及航向穩(wěn)定量測(cè)方程的應(yīng)用效果與特點(diǎn)。在傳統(tǒng)算法中,磁干擾可通過(guò)量測(cè)更新影響姿態(tài)參數(shù)估計(jì)值。為此,在研究中將量測(cè)更新分為兩步進(jìn)行,在第二步中單獨(dú)處理磁傳感器量測(cè)更新,并在更新后依據(jù)姿態(tài)不變條件恢復(fù)姿態(tài)估計(jì)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:航向穩(wěn)定量測(cè)方程可與磁傳感器量測(cè)方程結(jié)合使用,在磁干擾發(fā)生時(shí)繼續(xù)發(fā)揮航向修正作用;改進(jìn)量測(cè)更新方式可以消除包括磁干擾在內(nèi)的不準(zhǔn)確地磁測(cè)量信息對(duì)姿態(tài)估計(jì)的影響,兩者有效增強(qiáng)了組合航向估計(jì)算法的抗磁干擾能力。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP212;TN967.2
【圖文】：

航向估計(jì)應(yīng)用廣泛，綜合考慮成本與估計(jì)效果等因素，應(yīng)用慣性與磁傳逡逑感器實(shí)現(xiàn)航向估計(jì)具有較高的性價(jià)比。本文研宄ＭＥＭＳ陀螺隨機(jī)誤差補(bǔ)償方逡逑法及組合估計(jì)算法有助于更準(zhǔn)確描述航姿狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；研究磁傳感逡逑器標(biāo)定方法并校正測(cè)量信號(hào)可以為航向估計(jì)提供更準(zhǔn)確的絕對(duì)航向量測(cè)信逡逑息；針對(duì)環(huán)境磁干擾問(wèn)題研宄增強(qiáng)航向估計(jì)應(yīng)對(duì)磁干擾能力的方法可以提高逡逑航向估計(jì)算法的實(shí)用性，利用載體特點(diǎn)引入量測(cè)方程的做法也可為其它組合逡逑航向估計(jì)算法研究提供有益參考。圖１－２概括了本文研究目的與意義。逡逑１．３研究現(xiàn)狀逡逑ＭＥＭＳ陀螺誤差包括確定性誤差與隨機(jī)誤差。確定性誤差是由陀螺受應(yīng)逡逑用環(huán)境因素如加速度、角加速度、溫度等影響產(chǎn)生的輸出零偏［ＩＧ］。對(duì)于確定逡逑性誤差，可利用輸入輸出數(shù)據(jù)建立誤差與影響因素間定量關(guān)系，并據(jù)此進(jìn)行逡逑誤差補(bǔ)償。也可使用參數(shù)估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)輸出零偏在線估計(jì)與補(bǔ)償。陀螺隨機(jī)逡逑、、、

圖１－３論文體系結(jié)構(gòu)逡逑第五章：自適應(yīng)航向估計(jì)改進(jìn)算法。第一節(jié)應(yīng)用慣性與磁傳感器測(cè)量值逡逑以及應(yīng)對(duì)磁干擾的傳統(tǒng)策略構(gòu)建一種基于卡爾曼濾波器的自適應(yīng)組合航向估逡逑計(jì)算法。第二節(jié)對(duì)航向估計(jì)算法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)措施包括構(gòu)建航向穩(wěn)定量測(cè)逡逑方程以及采用改進(jìn)的量測(cè)更新方式。該節(jié)介紹航向穩(wěn)定量測(cè)方程的兩種形式、逡逑表征載體狀態(tài)的方法以及改進(jìn)量測(cè)更新方式的原理與實(shí)現(xiàn)步驟。第三節(jié)通過(guò)逡逑仿真與實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)改進(jìn)算法的性能，并對(duì)航向穩(wěn)定量測(cè)方程及改進(jìn)量測(cè)更新方逡逑式的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析。第四節(jié)總結(jié)本章內(nèi)容。逡逑第六章：總結(jié)與展望。對(duì)論文主要研究工作進(jìn)行總結(jié)，并提出關(guān)于進(jìn)一逡逑步研究工作的設(shè)想。逡逑－９－逡逑

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本文編號(hào)：2723791