CN104864874A - 一种低成本单陀螺航位推算导航方法及*** - Google Patents
一种低成本单陀螺航位推算导航方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明针对传统的导航***存在的成本较高、体积重量较大、航向误差积累等问题,提供了一种低成本单陀螺航位推算导航方法及***,该***利用航向感应传感器(如磁传感器,亦可为偏振光传感器)提供航向参考,采用1个光学陀螺(敏感轴指天向)与航向传感器组合提供高精度动态航向,两个加速度计负责测量载体姿态,一个里程计提供载体里程增量,利用航向、姿态、里程信息进行航位推算,从而计算载***置,具有小体积、低功耗、低成本等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种单陀螺导航技术,具体涉及一种低成本单陀螺航位推算导航方法及***。
背景技术
在军、民领域中的各类设备上,惯性导航***作为一种现代化导航设备已被广泛应用。惯性导航***主要分为平台式惯性导航***和捷联式惯性导航***两大类。捷联惯性导航***和平台式惯性导航***一样,能精确提供载体的姿态、地速、经纬度等导航参数。
捷联惯性导航***有以下独特优点:去掉了复杂的平台机械***,***结构极为简单,减小了***的体积和重量,同时降低了成本,简化了维修,提高了可靠性。目前的导航***通常由3个陀螺、3个加速度计组成,虽然具有选配的灵活性,但是由于使用3个陀螺造成了成本、体积、重量等的增加。
因此,有必要研究出一种低成本单陀螺航位推算导航方法及***,从而解决现有技术的上述缺陷。
发明内容
针对捷联导航***存在的成本较高、航向误差积累、体积、重量较大等问题,本发明提供了一种低成本单陀螺航位推算导航方法及***,该***利用航向感应传感器(如磁传感器,亦可为偏振光传感器)提供航向参考,采用1个光学陀螺(敏感轴指天向)与航向传感器组合提供高精度动态航向,两个加速度计负责测量载体姿态,一个里程计提供载体里程增量,利用航向、姿态、里程信息进行航位推算,从而计算载***置,具有小体积、低功耗、低成本等诸多优点。
本发明请求提供了一种低成本单陀螺航位推算导航方法,该方法包括以下步骤:
步骤S101,利用磁感应计与光学陀螺计算载体系x轴的航向角ψ;
假设初始阶段,磁感应计受磁场环境扰动较小,则通过1分钟的静止状态,对磁感应计的航向角输出作平滑,得到初始航向角ψ0;
采用光学陀螺辅助磁感应计进行航向角计算,利用光学陀螺输出进行航向角更新:
ψi=ψi-1+Ωi-1-Ωiesin(L)cos(θ) (1)
其中,(i-1)-i表示一个采样周期(Ts),ψi为i时刻的航向角,Ωi-1为(i-1)-i时刻的陀螺输出(单位为弧度),Ωie为一个采样周期内的地球自转角度,L为当地纬度,θ为载体俯仰角;
陀螺测量值存在漂移,会导致航向角误差随时间积累,利用磁感应计对陀螺的积累误差进行补偿,令ψG=ψi表示i时刻陀螺解算的航向角,ψM表示磁感应计解算到的航向角;
当满足如下条件时,利用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差:
条件1:tgyro>T,其中tgyro为陀螺推算时间,T为某常值参数;
条件2:公式(2)成立。
其中表示一个平滑周期Tsmooth内的ψG均值,表示一个平滑周期内ψM均值;将一个平滑周期分为k个子周期,即Tsmooth=k*Ts;δψi表示第i个子周期内的ψG与ψM差值,即J为航向角波动阈值;
不等式左侧第一项反映磁感应计与陀螺解算航向角的常值偏差,第二项反映磁感应计受磁场影响的波动程度;当不等式成立时,表明磁感应计周围磁场无异常波动,可以用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差;
步骤S102,利用加速计A1计算载体俯仰角θ;
加速度计A1计算载体俯仰角θ的公式如下(见公式3),
其中a1表示加速度计A1的测量输出量,g为重力加速度,定义载体车头上扬时θ角为正;
ab的计算过程如公式5,6所示:
ab=x2 (5)
x2(k+1)=x2(k)-h*r*sat(g(k),δ) (6)
其中:
z1(k)=e(k)+hx2(k) (9)
δ=hr,δ1=hδ (10)
e(k)=x1(k)-v(k) (11)
x1(k+1)=x1(k)+hx2(k) (12)
x2(k)为加速度输出,h为采样步长,r为输入调节参数,依据实际信号特性人为选取,用来调节微分器性能,δ是中间变量,为平滑周期;v(k)为速度,x1(k)表示预测速度,v(k)为v的离散形式;
由公式6-12联立,进而通过ab=x2,可以获得ab;
最后由公式3获得载体俯仰角θ;
步骤S103,利用里程计计算一个采样周期的里程增量Δs;
一个采样周期的里程增量为:
Δs=KN (13)
其中,脉冲数N为里程计一个采样周期内的脉冲数;K为里程系数,需要事先标定,N为里程计脉冲数;
步骤S104,计算载体在行驶过程中的位置(坐标);
假设载体的初始坐标为(X0,Y0),载体在行驶过程中,k时刻的坐标(Xk,Yk)可通过公式(14)得到:
其中ψi、θi、Δsi分别为第i个采样周期的航向角、俯仰角、里程增量。
本申请还请求保护一种低成本单陀螺航位推算导航***,包括:
姿态测量单元,包括光学陀螺,磁感应计,两个加速度计,其中姿态测量单元坐标系选取前-左-上分别作为x-y-z;光学陀螺敏感轴与z轴重合指向天向;两个加速度计敏感轴分别指向x和y轴方向;磁感应计零位指向x轴方向;姿态测量单元将各个光学陀螺,磁感应计,两个加速度计的信号传输给信号采集电路;
信号采集电路,用于将接收的信号经过A/D转换,通过串行通信接口发送给处理器;
里程计,用于将载体轮胎的转动转换为脉冲,通过信号采集电路送给处理器;
处理器,接收信号采集电路发送的信号,得到载体的位置、速度、姿态,并计算载体的位置。
进一步的,处理器计算载体的位置是通过上述的导航方法获得的。
附图说明
图1为本发明的低成本单陀螺航位推算导航方法的流程示意图;
图2为本发明的导航***的结构示意图;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明提出了一种低成本单陀螺航位推算导航方法,在该方法中以本地地理坐标系(东-北-天,E-N-U)作为导航坐标系(n系),包括如下步骤:
步骤S101,利用磁感应计与光学陀螺计算载体系(b系)x轴的航向角ψ;
假设初始阶段,磁感应计受磁场环境扰动较小,则通过1分钟的静止状态,对磁感应计的航向角输出作平滑,得到初始航向角ψ0。
磁感应计的输出易受磁场波动的影响,因此本发明采用光学陀螺辅助磁感应计进行航向角计算,利用光学陀螺输出进行航向角更新(公式(1)),
ψi=ψi-1+Ωi-1-Ωiesin(L)cos(θ) (1)
其中,(i-1)-i表示一个采样周期(Ts),ψi为i时刻的航向角,Ωi-1为(i-1)-i时刻的陀螺输出(单位为弧度),Ωie为一个采样周期内的地球自转角度,L为当地纬度,θ为载体俯仰角。
陀螺测量值存在漂移,会导致航向角误差随时间积累,本发明利用磁感应计对陀螺的积累误差进行补偿。令ψG=ψi表示i时刻陀螺解算的航向角,ψM表示磁感应计解算到的航向角。
当满足如下条件时,利用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差:
条件1:tgyro>T,其中tgyro为陀螺推算时间,T为某常值参数;
条件2:公式(2)成立。
其中表示一个平滑周期Tsmooth内的ψG均值,表示一个平滑周期内ψM均值;将一个平滑周期分为k个子周期,即Tsmooth=k*Ts;δψi表示第i个子周期内的ψG与ψM差值,即J为航向角波动阈值。
不等式左侧第一项反映磁感应计与陀螺解算航向角的常值偏差,第二项反映磁感应计受磁场影响的波动程度。当不等式成立时,表明磁感应计周围磁场无异常波动,可以用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差。
步骤S102,利用加速计A1计算载体俯仰角θ;
加速度计A1计算载体俯仰角θ的公式如下(见公式3),
其中a1表示加速度计A1的测量输出量,g为重力加速度,定义载体车头上扬时θ角为正。载体有前向加速度ab时,A1加速度输出为a1=gsin(θ)+ab,因此需要扣除加速度对俯仰角的影响。
本发明利用里程计信号经过二阶微分得到x轴向的加速度。里程计输出信号为一个采样周期的里程增量Δs,则速度为:
v=Δs/Ts (4)
若要得到载体前向加速度ab,需要对速度v进行微分,而再次利用上式直接微分会进一步放大噪声。V(k)是v的离散形式。
ab的计算过程如公式5,6所示:
ab=x2 (5)
x2(k+1)=x2(k)-h*r*sat(g(k),δ) (6)
其中:
z1(k)=e(k)+hx2(k) (9)
δ=hr,δ1=hδ (10)
e(k)=x1(k)-v(k) (11)
x1(k+1)=x1(k)+hx2(k) (12)
x2(k)为加速度输出,h为采样步长,r为输入调节参数,依据实际信号特性人为选取,用来调节微分器性能,δ是中间变量,可解释为平滑周期;v(k)为速度,x1(k)表示预测速度,v(k)为v的离散形式。
由公式6-12联立,进而通过ab=x2,可以获得ab。
最后由公式3获得载体俯仰角θ。
步骤S103,利用里程计计算一个采样周期的里程增量Δs;
一个采样周期的里程增量为:
Δs=KN (13)
其中,脉冲数N为里程计一个采样周期内的脉冲数;K为里程系数,需要事先标定,N为里程计脉冲数。
步骤S104,计算载体在行驶过程中的位置(坐标);
假设载体的初始坐标为(X0,Y0),载体在行驶过程中,k时刻的坐标(Xk,Yk)可通过公式(14)得到:
其中ψi、θi、Δsi分别为第i个采样周期的航向角、俯仰角、里程增量。
下面通过图2对本发明的导航***作进一步的介绍。
如图2,低成本单陀螺航位推算导航***100包括:
姿态测量单元101,包括光学陀螺,磁感应计,两个加速度计,其中姿态测量单元坐标系选取前-左-上分别作为x-y-z;光学陀螺敏感轴与z轴重合指向天向;两个加速度计敏感轴分别指向x和y轴方向;磁感应计零位指向x轴方向;姿态测量单元将各个光学陀螺,磁感应计,两个加速度计的信号传输给信号采集电路102;
信号采集电路102,用于将接收的信号经过A/D转换,通过串行通信接口发送给处理器;
里程计103,用于将载体轮胎的转动转换为脉冲,通过信号采集电路送给处理器;
处理器104,接收信号采集电路发送的信号,得到载体的位置、速度、姿态,并计算载体的位置。
处理器计算载体的位置是通过权前述的导航方法获得的。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种低成本单陀螺航位推算导航方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤S101,利用磁感应计与光学陀螺计算载体系x轴的航向角ψ;
假设初始阶段,磁感应计受磁场环境扰动较小,则通过1分钟的静止状态,对磁感应计的航向角输出作平滑,得到初始航向角ψ0;
采用光学陀螺辅助磁感应计进行航向角计算,利用光学陀螺输出进行航向角更新:
ψi=ψi-1+Ωi-1-Ωiθsin(L)cos(θ) (1)
其中,(i-1)-i表示一个采样周期(Ts),ψi为i时刻的航向角,Ωi-1为(i-1)-i时刻的陀螺输出(单位为弧度),Ωie为一个采样周期内的地球自转角度,L为当地纬度,θ为载体俯仰角;
陀螺测量值存在漂移,会导致航向角误差随时间积累,利用磁感应计对陀螺的积累误差进行补偿,令ψG=ψi表示i时刻陀螺解算的航向角,ψM表示磁感应计解算到的航向角;
当满足如下条件时,利用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差:
条件1:tgyro>T,其中tgyro为陀螺推算时间,T为某常值参数;
条件2:公式(2)成立。
其中表示一个平滑周期Tsmooth内的ψG均值,表示一个平滑周期内ψM均值;将一个平滑周期分为k个子周期,即Tsmooth=k*Ts;δψi表示第i个子周期内的ψG与ψM差值,即J为航向角波动阈值;
不等式左侧第一项反映磁感应计与陀螺解算航向角的常值偏差,第二项反映磁感应计受磁场影响的波动程度;当不等式成立时,表明磁感应计周围磁场无异常波动,可以用ψM替换ψi以消除陀螺漂移等因素的航向角累计误差;
步骤S102,利用加速计A1计算载体俯仰角θ;
加速度计A1计算载体俯仰角θ的公式如下(见公式3),
其中a1表示加速度计A1的测量输出量,g为重力加速度,定义载体车头上扬时θ角为正;
ab的计算过程如公式5,6所示:
ab=x2 (5)
x2(k+1)=x2(k)-h*r*sat(g(k),δ) (6)
其中:
z1(k)=e(k)+hx2(k) (9)
δ=hr,δ1=hδ (10)
e(k)=x1(k)-v(k) (11)
x1(k+1)=x1(k)+hx2(k) (12)
x2(k)为加速度输出,h为采样步长,r为输入调节参数,依据实际信号特性人为选取,用来调节微分器性能,δ是中间变量,为平滑周期;v(k)为速度,x1(k)表示预测速度,v(k)为v的离散形式;
由公式6-12联立,进而通过ab=x2,可以获得ab;
最后由公式3获得载体俯仰角θ;
步骤S103,利用里程计计算一个采样周期的里程增量Δs;
一个采样周期的里程增量为:
Δs=KN (13)
其中,脉冲数N为里程计一个采样周期内的脉冲数;K为里程系数,需要事先标定,N为里程计脉冲数;
步骤S104,计算载体在行驶过程中的位置(坐标);
假设载体的初始坐标为(X0,Y0),载体在行驶过程中,k时刻的坐标(Xk,Yk)可通过公式(14)得到:
其中ψi、θi、Δsi分别为第i个采样周期的航向角、俯仰角、里程增量。
2.一种低成本单陀螺航位推算导航***,其特征在于包括:
姿态测量单元,包括光学陀螺,磁感应计,两个加速度计,其中姿态测量单元坐标系选取前-左-上分别作为x-y-z;光学陀螺敏感轴与z轴重合指向天向;两个加速度计敏感轴分别指向x和y轴方向;磁感应计零位指向x轴方向;姿态测量单元将各个光学陀螺,磁感应计,两个加速度计的信号传输给信号采集电路;
信号采集电路,用于将接收的信号经过A/D转换,通过串行通信接口发送给处理器;
里程计,用于将载体轮胎的转动转换为脉冲,通过信号采集电路送给处理器;
处理器,接收信号采集电路发送的信号,得到载体的位置、速度、姿态,并计算载体的位置。
3.如权利要求2所述的***,其特征在,处理器计算载体的位置是通过权利要求1所述的导航方法获得的。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |