CN111007542B - 一种车载星基增强多模gnss/mimu组合导航中mimu安装误差角的计算方法 - Google Patents

一种车载星基增强多模gnss/mimu组合导航中mimu安装误差角的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，分析了车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，建立MIMU的三周加速度计感知车体前向加速度的模型，并由加速阶段汽车的尾垂现象对模型改进；根据得到的改进后的加速度计测量模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；非线性方程组的求解是一个难题，其解的情况比较复杂，为了解决这个问题，本发明采用牛顿迭代法逐次逼近求解；依据实际情况选择合理的初值，对迭代终止条件做了限制，以降低计算量；对每次采集的数据得到的迭代最终解给出限制条件，并将每次采集数据得到的解做平均，提高了MIMU安装误差角的可信度。

Description

一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差 角的计算方法
技术领域
本发明涉及一种基车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，尤其涉及一种利用牛顿迭代法解由加速度计测量值及车辆加速阶段运动规律建立的关于安装误差角的非线性方程组的算法。
背景技术
随着无人驾驶汽车和智能高铁等智能交通***的发展，对车载导航定位***的要求越来越高：既要求导航***降低成本以适应民用领域的大规模应用，又要求具有较高的精度以达到无人化的技术要求；既要求小型化以占有更小的空间、减小重量，又要求具有非常高的可靠性。国内特大城市的迅速发展，在城市复杂环境下，车辆集中，城市高楼林立，多层高架，隧道，地下停车场等复杂因素使用户对导航定位应用服务上提出更多的需求。
当前用于车载组合导航的设备主要有：惯性导航***(Inertial NavigationSystem，INS)、全球卫星导航***(Global Navigation Satellite System，GNSS)、激光雷达、多普勒测速仪、气压高度计、相机等。每种方式都存在相应的优缺点，没有哪一种方式能够独立满足载车运行过程中所需的各种要求，基于增强***多模GNSS/MIMU及列车运动规律约束的组合导航方法成为研究的热点。目前提高GNSS精度的主要方法是采用地基增强或星基增强技术，星基增强技术具有更大范围的适用性。但是GNSS信号在复杂环境中中存在断续、衰落等问题，造成接收机观测值精度严重不足，甚至出现信号失锁等现象，成为车载导航发展的技术瓶颈。基于微机电***技术的惯性测量单元(Inertial measurementunit，IMU)，即MIMU，具有微型化、低功耗、低成本、高可靠的特点，且自主性高、隐蔽性强、信息全面，但是精度随时间发散。近年来，MEMS技术的发展已使得其达到中等导航精度应用场合的要求。
GNSS/MIMU组合导航***在GNSS失效的情况下，结合载车运动约束信息，可以不增加其他传感器就克服各自明显缺点，保证导航信息的连续性和可用性，提高***完好性，降低***的成本。但是，在运用载车运动约束信息前，需要得到比较难以解决的MIMU在载车上的安装误差角。因为MIMU在载车上的安装不能如高精度的惯导***一样有专门设计的高精度的工装来保证很小安装误差，较大的安装误差会影响载车运动约束信息作用的发挥。
发明内容
本发明提供了一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，可以有效解决上述问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，包括以下步骤：
S1：建立静止情况下水平角解析初对准模型对惯导***水平姿态角进行对准，再通过建立在启动段忽略安装误差下由GNSS测得的速度完成方位对准的模型对惯导***进行方位对准；
S2：分析车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，考虑在加速阶段载车的尾垂现象，建立改进的MIMU的三轴加速度计感知车体前向加速度的模型；
S3：根据得到的改进后的加速度计测量模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；
S4：在设置的初始条件下，用每一次采集的数据对MIMU的三个安装误差角的非线性方程组运用牛顿迭代法求解，并设定迭代终止条件和先验信息对迭代终解检验，将通过检验的解取平均值，得到最终的安装误差角。
进一步的，S2的具体步骤如下：
S2.1：建立基于载体坐标系的静态情况下加速度计测量模型；
S2.2：建立基于载体坐标系的动态情况下的加速度计的测量模型；
S2.3：考虑在加速阶段载车的尾垂现象，对模型进一步改进；
S2.4：将S1中采集的数据做平均，并在S2.3得到的改进后的模型中扣除，得到由于载车前向加速度而产生的加速度在MIMU的三轴加速度计上的分量模型。
进一步的，S2.4中前向加速度定义为，
Figure GDA0002393156360000031
其中，
Figure GDA0002393156360000032
为前向加速度在各轴加速度计的分量，由加速度计输出扣除其余无关加速度得到，
Figure GDA0002393156360000033
为车体的前向加速度。
进一步的，S4中牛顿迭代法解S3中建立的关于MIMU安装误差角的非线性方程组，具体步骤为：
根据MIMU安装的实际情况，选择合适的初值
Figure GDA0002393156360000041
将S3建立的非线性方程组Gi的分量在
Figure GDA0002393156360000042
处多元函数泰勒展开，取其线性部分则可表示为
Figure GDA0002393156360000043
求解线性方程组，并记解为a(k+1)，则得
Figure GDA0002393156360000044
其中
Figure GDA0002393156360000045
当满足
Figure GDA0002393156360000046
时停止迭代，
Figure GDA0002393156360000047
为非线性方程组的解；
Figure GDA0002393156360000048
根据安装误差角的特点，对迭代终解进行合理限制，设置的限制条件为：
||ai||∞＜10
将由每一时刻采集的数据计算得来的解平均即得到安装误差角的最终解向量；
Figure GDA0002393156360000049
有益效果：
1)本发明采用加速阶段的加速度作为计算安装误差角的主要信息，相比传统的滤波估计方法，找到了一条新途径。
2)本发明所用的算法仅需要启动后静止阶段和加速阶段获得的数据，不影响组合导航***的正常运行。
3)通过将汽车加速过程中尾垂现象对加速度测量模型进行改进，本方法对汽车环境和铁路环境均适用。
4)在解关于安装误差角的非线性方程组的时候，通过对初值的选取、设置迭代终止条件、设置解的合理性检测条件、将多次采样数据计算的解做平均等方法，减小了计算量，提高了解的精度和可靠性。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，包括以下步骤：
S1：建立静止情况下水平角解析初对准模型对惯导***水平姿态角进行对准，再通过建立在启动段忽略安装误差下由GNSS测得的速度完成方位对准的模型对惯导***进行方位对准；
MIMU的初始对准
由于MIMU的陀螺的精度相对较低(陀螺零偏不稳定性为6deg/h左右)，不能独自完成对准，结合静基座解析粗对准技术和GNSS提供的航向信息制定如下对准方案。
静止情况下，采集一段加速度计的测量值，并对测量值做时间平均。考虑到加计的零偏，加速度计的输出信号如下：
Figure GDA0002393156360000061
式中，fb为加速度计的测量值，
Figure GDA0002393156360000062
为姿态矩阵，gn为导航系内的重力加速度矢量，▽b为三个轴上加速度计零偏，展开得：
Figure GDA0002393156360000063
忽略加速度计零偏，从加速度测量值可得MIMU的初始的俯仰角和横滚角：
Figure GDA0002393156360000064
当MIMU安装在载车上时，比较容易使MIMU的水平各轴和车体水平各轴在近似平行平面内，这时可认为水平安装误差角是小角度。在初始直线运动条件下，可由GNSS接收机的速度推算得到车体运动的初始航向角：
ψ0＝arctan(vE/vN) (4)
式中，vE、vN分别为GNSS接收机测得的载车东向速度和北向速度。
当完成初始对准后，进入GNSS/MIMU组合导航阶段。
S2：分析车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，考虑在加速阶段载车的尾垂现象，建立改进的MIMU的三轴加速度计感知车体前向加速度的模型；
其中S2的具体步骤如下：
S2.1：建立基于载体坐标系的静态情况下加速度计测量模型；
MIMU在车体上的安装偏角为a＝[aθ aγ aψ]T，在加速阶段利用各轴加速度计的输出值，计算初始的航向角安装角。在静止阶段，由比例方程可得MIMU坐标系b系中三轴加速度计的输出模型，将输出值
Figure GDA0002393156360000071
的n个采样点取平均值为：
Figure GDA0002393156360000072
S2.2：建立基于载体坐标系的动态情况下的加速度计的测量模型；
在加速阶段，基于载体系的加速度计的测量模型为：
Figure GDA0002393156360000073
式中，
Figure GDA0002393156360000074
为载车对地加速度，也即车的前向加速度在导航系的投影，
Figure GDA0002393156360000075
为载车对地加速度在b坐标系的投影，和Δfb等价。
Figure GDA0002393156360000076
为地球自转角速度在导航坐标系下的投影，
Figure GDA0002393156360000077
为载体运动引起的相对地球坐标系的角速度，
Figure GDA0002393156360000078
为载体相对地球坐标系的速度在导航系的投影，也即地速，可以从组合导航***中获得相应的值。
整理式(5)和式(6)可得前向加速度在三轴加计上的分量：
Figure GDA0002393156360000081
S2.3：考虑在加速阶段载车的尾垂现象，对模型进一步改进；
用加速段汽车俯仰角变化改进加速度测量模型
在加速阶段，由于汽车的驱动轮由传动机构带动加速旋转，旋转过程中有弹性的轮胎与路面的接触面产生不均匀形变，以及车身的惯性作用等会导致加速过程中汽车尾部下垂，即汽车的俯仰角产生变化，记为Δθi，i＝(1，…，m)为车辆加速过程中的采样点。
Δθi＝θi-θ0 (8)
式中，θi为i采样点处MIMU的俯仰角，可由此刻组合导航输出值获得。此时，式(5)可改写为：
Figure GDA0002393156360000082
其中，
Figure GDA0002393156360000083
可由组合导航***实时获得。
Figure GDA0002393156360000084
为除了前向加速度引起的加速度以外的加速度计的测量值。
S2.4：将S1中采集的数据做平均，并在S2.3得到的改进后的模型中扣除，得到由于载车前向加速度而产生的加速度在MIMU的三轴加速度计上的分量模型。
车辆前向加速度值，可由三个轴的加速度计输出增量求得：
Figure GDA0002393156360000091
其中，
Figure GDA0002393156360000092
为前向加速度在各轴加速度计的分量，由加速度计输出扣除其余无关加速度得到，
Figure GDA0002393156360000093
为车体的前向加速度。
S3：根据得到的改进后的加速度计测量模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；
载车的前向加速度fm在MIMU三个轴向安装的加速度计的分量为
Figure GDA0002393156360000094
式中，
Figure GDA0002393156360000095
为三轴加计在i时刻的输出，
Figure GDA0002393156360000096
为车体坐标系到MIMU坐标系的坐标变换矩阵，也即由安装误差角确定的两坐标系变换矩阵，其中
Figure GDA0002393156360000097
将式(10)展开整理后得：
Figure GDA0002393156360000098
S4：在设置的初始条件下，用每一次采集的数据对MIMU的三个安装误差角的非线性方程组运用牛顿迭代法求解，并设定迭代终止条件和先验信息对迭代终解检验，将通过检验的解取平均值，得到最终的安装误差角。
牛顿迭代法解关于安装误差角的非线性方程组
方程式(12)是关于安装角向量a＝[aθ aγ aψ]T的非线性方程组，此方程组很难得到解析解，可以用牛顿迭代法通过多次迭代解出三个安装误差角。将式(12)中三个方程左侧分别记为g1,i，g2,i，g3,i，均为(aθ,i，aγ,i，aψ,i)的多元函数。记Gi＝(g1,i,g2,i,g3,i)T，则式(12)可改写为：
Gi＝0 (13)
惯性导航***的工装有比较严格的加工要求，在车上安装过程中与车体的三个轴大致重合，因此选择
Figure GDA0002393156360000101
为式(13)的一个近似根是合理的。将函数Gi的分量在
Figure GDA0002393156360000102
处多元函数泰勒展开，取其线性部分则可表示为
Figure GDA0002393156360000103
求解线性方程组(14)，并记解为a(k+1)，则得
Figure GDA0002393156360000104
其中
Figure GDA0002393156360000105
此迭代法是对安装误差角的粗略测量，为减小计算量，可将设置的迭代终止条件适当放宽。当满足
Figure GDA0002393156360000111
时停止迭代，
Figure GDA0002393156360000112
为非线性方程组的解。
Figure GDA0002393156360000113
非线性方程组(13)由于Gi(ai)的非线性性质而给求解过程增加了一定的难度，目前还没有彻底解决非线性方程组解的存在唯一性问题，其解的情况比较复杂，可能有解也可能无解，可能有唯一解也可能有多个解。由于安装误差角的特点，可以对迭代终解进行合理限制，安装误差角一般在10°以内，设置的限制条件为：
||ai||∞＜10° (18)
将由每一时刻采集的数据计算得来的解平均即得到安装误差角的最终解向量。
Figure GDA0002393156360000114
式(18)和式(19)通过对每次采集的数据得到的迭代最终解给出限制条件，并将每次采集数据得到的解做平均，提高了MIMU安装误差角的可信度。此解为MIMU安装误差角的粗略估计值，可用于安装误差角滤波估计的初始值，也可用于车载导航动态零速修正。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立静止情况下水平角解析初对准模型对惯导***水平姿态角进行对准，再通过建立在启动段忽略安装误差下由GNSS测得的速度完成方位对准的模型对惯导***进行方位对准；
S2：分析车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，考虑在加速阶段载车的尾垂现象，建立改进的MIMU的三轴加速度计感知车体前向加速度的模型；
S2的具体步骤如下：
S2.1：建立基于载体坐标系的静态情况下加速度计测量模型；
S2.2：建立基于载体坐标系的动态情况下的加速度计的测量模型；
S2.3：考虑在加速阶段载车的尾垂现象，对模型进一步改进；
S2.4：将S1中采集的数据做平均，并在S2.3得到的改进后的模型中扣除，得到由于载车前向加速度而产生的加速度在MIMU的三轴加速度计上的分量模型；
S3：根据得到的改进后的MIMU的三轴加速度计感知车体前向加速度的模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；
S4：在设置的初始条件下，用每一次采集的数据对MIMU的三个安装误差角的非线性方程组运用牛顿迭代法求解，并设定迭代终止条件和先验信息对迭代终解检验，将通过检验的解取平均值，得到最终的安装误差角。
2.根据权利要求1所述的一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，其特征在于，S2.4中前向加速度定义为，
Figure FDA0002921232920000021
其中，
Figure FDA0002921232920000022
为前向加速度在各轴加速度计的分量，由加速度计输出扣除其余无关加速度得到，
Figure FDA0002921232920000023
为车体的前向加速度。
3.根据权利要求1所述的一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，其特征在于，S4中牛顿迭代法解S3中建立的关于MIMU安装误差角的非线性方程组，具体步骤为：
根据MIMU安装的实际情况，选择合适的初值
Figure FDA0002921232920000024
将S3建立的非线性方程组Gi的分量在
Figure FDA0002921232920000025
处多元函数泰勒展开，取其线性部分则可表示为
Figure FDA0002921232920000026
求解线性方程组，并记解为a(k+1)，则得
Figure FDA0002921232920000027
其中
Figure FDA0002921232920000028
当满足
Figure FDA0002921232920000031
时停止迭代，
Figure FDA0002921232920000032
为非线性方程组的解；
Figure FDA0002921232920000033
根据安装误差角的特点，对迭代终解进行合理限制，设置的限制条件为：
||ai||∞＜10°
将由每一时刻采集的数据计算得来的解平均即得到安装误差角的最终解向量；
Figure FDA0002921232920000034
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