CN113267183A - 一种多加速度计惯导***的组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多加速度计惯导***的组合导航方法，属于惯性导航领域。所述的多加速度计惯导***包括一体化三轴陀螺、三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计和数据采集处理板；所述的一体化三轴陀螺位于载体中心位置，所述的三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计分别安装在一体化三轴陀螺的三个坐标轴正、负方向上，通过数据采集处理板采集三轴陀螺与加速度计的输出信号。通过本发明能够实现对惯导***运动状态的判断，根据运动状态判断是否进行多加速度计动态补偿；通过额外添加的三加速度计，将利用加速度计杆臂效应解算出的载体角速度与陀螺输出的载体角速度相融合，实现了高动态运动状态下的惯导***导航精度的提升。

Description

一种多加速度计惯导***的组合导航方法

技术领域

本发明属于惯性导航领域，具体涉及一种多加速度计惯导***的组合导航方法。

技术背景

惯导***中一般使用三个相互垂直的加速度计和与之分别对齐的三个相互垂直的陀螺仪，通过测量载体相对惯性空间的线运动参数，并根据初始信息条件下解算出载体姿态、速度和位置等信息，其工作不依赖于任何外界信息，在自动驾驶、武器制导、航空航天等领域都有着重要作用。传统的惯导***使用三个陀螺仪和三个加速度计，载体的三轴角运动信息由陀螺仪提供，而陀螺仪在高动态场景下角速度测量精度下降，且高精度陀螺仪由于结构和电路复杂，造价昂贵。相比之下高精度加速度计的制造难度与成本要低很多，具备更高的动态范围，因此通过使用多加速度计提供角速率信息是降低惯导***成本的可行方案。而目前研究主要集中在无陀螺惯导***，其中角速率信息完全由加速度计提供，但是鲁棒性及精度不高，难以得到大规模应用。

因此本发明提供了一种多加速度计惯导***的组合导航方法，在载体高动态的运动情况下利用卡尔曼滤波，将利用加速度计杆臂效应解算出的载体角速度与陀螺输出的载体角速度相融合，改善了大动态场景下惯导***的导航精度，其成本远低于使用更高精度的陀螺仪。

发明内容

本发明的目的是提供一种多加速度计惯导***的组合导航方法，改善了大动态场景下惯导***的导航精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多加速度计惯导***的组合导航方法，所述的多加速度计惯导***包括一体化三轴陀螺、三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计和数据采集处理板；所述的一体化三轴陀螺位于载体中心位置，所述的三轴中心加速度计分别安装在一体化三轴陀螺的三个坐标轴正方向上，所述的三轴辅助加速度计分别安装在一体化三轴陀螺的三个坐标轴负方向上，所述的一体化三轴陀螺、三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计的信号输出端连接数据采集处理板；

所述的组合导航方法包括：

1)通过数据采集处理板同步采集多加速度计惯导***中的三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计输出的比力值，以及一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值；

2)根据一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值判断多加速度计惯导***的运动状态，若三轴角速度值大于阈值，则判断为处于高运动状态，进入步骤3)，利用多加速度计对三轴角速度值进行动态补偿；否则，判断为处于低运动状态，将一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值作为最终角速度值，进入步骤4)；

3)将利用加速度计杆臂效应解算出的载体三轴角速度值与一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值相融合，得到姿态角修正值作为最终动态补偿后的角速度值，进入步骤4)；

4)利用三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计输出的比力值，计算载体中心的三轴比力，与低运动状态下一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值或高运动状态下步骤3)得到的姿态角修正值进行组合导航更新。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：实现了对惯导***运动状态的判断，根据运动状态判断是否进行多加速度计动态补偿；通过额外添加的三加速度计，将利用加速度计杆臂效应解算出的载体角速度与陀螺输出的载体角速度相融合，实现了高动态运动状态下的惯导***导航精度的提升。

附图说明

图1是多加速度计惯导***的结构示意图。

图中：1敏感轴为X轴正方向的加速度计、2敏感轴为Y轴正方向的加速度计、3敏感轴为Z轴正方向的加速度计、4敏感轴为X轴负方向的加速度计、5 敏感轴为Y轴负方向的加速度计、6敏感轴为Z轴负方向的加速度计、7一体化三轴陀螺、8数据采集处理板。

图2是多加速度计惯导***的组合导航方法的流程图；

图3是惯导***测量误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明：

本发明所使用的多加速度计惯导***结构如图1所示，其中1、2、3为惯导中心加速度计，4、5、6为辅助加速度计，相应的箭头表示测量方向，7为一体化三轴陀螺，8为数据采集处理板。

具体的，所述的多加速度计惯导***包括一体化三轴陀螺7、三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计和数据采集处理板8；所述的一体化三轴陀螺位于载体中心位置，所述的三轴中心加速度计分别安装在一体化三轴陀螺的三个坐标轴正方向上，所述的三轴辅助加速度计分别安装在一体化三轴陀螺的三个坐标轴负方向上，所述的一体化三轴陀螺、三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计的信号输出端连接数据采集处理板。

如图2所示，本发明的具体流程为：

(1)通过数据采集处理板8同步采集惯导***中六个加速度计1、2、3、4、 5、6和一体化三轴陀螺7的输出信号；

(2)根据六个加速度计1、2、3、4、5、6的输出信号解算出对应的比力信息f₁、f₂、f₃、f₄、f₅、f₆，根据一体化三轴陀螺7的输出信号解算出载体三轴角速度ω_x、ω_y、ω_z；

(3)根据载体角速度ω_x、ω_y、ω_z判断惯导***的运动状态，若角速度值大于阈值，则判断为处于高运动状态，则执行步骤(4)-(5)，利用多加速度计对三轴角速度值进行动态补偿；否则执行步骤(6)；

(4)根据加速度计杆臂效应解算出六加速度计反馈的载体三轴角速度，计算公式为：

其中，f₁、f₂、f₃分别为三轴中心加速度计输出的对应于X轴、Y轴、Z 轴的比力值，f₄、f₅、f₆分别为三轴辅助加速度计输出的对应于X轴、Y轴、 Z轴的比力值，

分别为根据加速度计解算出的X轴角加速度、 Y轴角加速度、Z轴角加速度，ω_xa、ω_ya、ω_za分别为根据加速度计解算出的X 轴角速度、Y轴角速度、Z轴角速度，ΔT为数据采集处理板的采样时间，l表示传感器与坐标系中心的距离。

(5)利用鲁棒容积卡尔曼滤波器，将步骤(3)和步骤(4)得到的角速度差值作为滤波器的输入，得到姿态角的修正值

Δω_x＝ω_x-ω_xa

Δω_y＝ω_y-ω_ya

Δω_z＝ω_z-ω_za

式中，ω_x、ω_y、ω_z为一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值，Δω_x、Δω_y、Δω_z为三轴角速度差值，K_k为滤波增益，ω_xx、ω_yy、ω_zz为姿态角修正值。

在本发明的一项具体实施中，利用鲁棒容积卡尔曼滤波器随采样时间更新后的滤波增益，实现随时间变化的动态补偿。所述的鲁棒容积卡尔曼滤波的状态方程为：

x_k+1＝f(x_k,u_k)+w_k

z_k+1＝h(x_k+1)+v_k+1

式中，f(·)为状态方程，h(·)为量测方程，x、u、z分别对应状态变量、控制变量及量测变量，w为***噪声、v为量测噪声，下角标k表示当前时刻，下角标k+1表示下一时刻。

鲁棒容积卡尔曼滤波的时间更新方法为：

式中，Q为***噪声的协方差矩阵，N为预设的容积点数量，

为容积点为i时对应的k-1时刻的***噪声，

为k-1时刻到k时刻的状态变量一步估计值，

为容积点为i时对应的k-1时刻的状态变量值，Q_k-1为k-1时刻***噪声的协方差矩阵，上角标T代表转置，P_k∣k-1为k-1时刻到k时刻的一步预测误差协方差矩阵。

鲁棒容积卡尔曼滤波的量测更新方法为：

式中，R_k为k时刻量测噪声的协方差矩阵，

为k-1时刻到k时刻的量测变量一步估计值，

为容积点为i时对应的k-1时刻到k时刻的***噪声，

为容积点为i时对应的k-1时刻到k时刻的状态变量值，

为k-1时刻到k时刻的自相关协方差矩阵，

为k-1时刻到k时刻的互相关协方差矩阵；

鲁棒容积卡尔曼滤波的滤波增益及姿态角修正值为：

式中，K_k表示k时刻的滤波增益，ω_xx、ω_yy、ω_zz为姿态角修正值，

为 k时刻的自相关协方差矩阵，

为k时刻的互相关协方差矩阵。

(6)用六加速度计输出值计算出载体质心处三轴比力，与三陀螺仪输出的载体角速度或高动态下步骤(5)得到的角速度修正值进行组合导航更新。

A_x＝0.5(f₃+f₄)

A_y＝0.5(f₅+f₆)

A_z＝0.5(f₁+f₂)

式中，A_x、A_y、A_z分别为载体质心处沿X轴、Y轴、Z轴的比力值。

本实施例中，所述的多加速度计惯导***中，三轴中心加速度计和三轴辅助加速度计的安装位置与载体中心的距离相等。

根据实际载体运动轨迹进行***仿真，得到的惯导***测量误差曲线如图 3所示。可以看到相比于传统惯导***以及无陀螺惯导***，本发明所提出的多加速度计惯导***具有更高的精度。

本发明的技术内容及技术特种已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种多加速度计惯导***的组合导航方法，其特征在于，所述的多加速度计惯导***包括一体化三轴陀螺(7)、三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计和数据采集处理板(8)；所述的一体化三轴陀螺位于载体中心位置，所述的三轴中心加速度计分别安装在一体化三轴陀螺的三个坐标轴正方向上，所述的三轴辅助加速度计分别安装在一体化三轴陀螺的三个坐标轴负方向上，所述的一体化三轴陀螺、三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计的信号输出端连接数据采集处理板；

所述的组合导航方法包括：

1)通过数据采集处理板(8)同步采集多加速度计惯导***中的三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计输出的比力值，以及一体化三轴陀螺(7)输出的载体三轴角速度值；

2)根据一体化三轴陀螺(7)输出的载体三轴角速度值判断多加速度计惯导***的运动状态，若三轴角速度值大于阈值，则判断为处于高运动状态，进入步骤3)，利用多加速度计对三轴角速度值进行动态补偿；否则，判断为处于低运动状态，将一体化三轴陀螺(7)输出的载体三轴角速度值作为最终角速度值，进入步骤4)；

3)将利用加速度计杆臂效应解算出的载体三轴角速度值与一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值相融合，得到姿态角修正值作为最终动态补偿后的角速度值，进入步骤4)；

4)利用三轴中心加速度计、三轴辅助加速度计输出的比力值，计算载体中心的三轴比力，与低运动状态下一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值或高运动状态下步骤3)得到的姿态角修正值进行组合导航更新。

2.根据权利要求1所述的一种多加速度计惯导***的组合导航方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

3.1)利用加速度计杆臂效应解算出载体三轴角速度值，计算公式为：

其中，f₁、f₂、f₃分别为三轴中心加速度计输出的对应于X轴、Y轴、Z轴的比力值，f₄、f₅、f₆分别为三轴辅助加速度计输出的对应于X轴、Y轴、Z轴的比力值，

分别为根据加速度计解算出的X轴角加速度、Y轴角加速度、Z轴角加速度，ω_xa、ω_ya、ω_za分别为根据加速度计解算出的X轴角速度、Y轴角速度、Z轴角速度，ΔT为数据采集处理板的采样时间，l表示传感器与坐标系中心的距离；

3.2)将一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值与根据加速度计解算出的载体三轴角速度值的差值作为鲁棒容积卡尔曼滤波器的输入，根据滤波增益得到姿态角修正值，计算公式为：

Δω_x＝ω_x-ω_xa

Δω_y＝ω_y-ω_ya

Δω_z＝ω_z-ω_za

式中，ω_x、ω_y、ω_z为一体化三轴陀螺输出的载体三轴角速度值，Δω_x、Δω_y、Δω_z为三轴角速度差值，K_k为滤波增益，ω_xx、ω_yy、ω_zz为姿态角修正值。

3.根据权利要求2所述的一种多加速度计惯导***的组合导航方法，其特征在于，利用鲁棒容积卡尔曼滤波器随采样时间更新后的滤波增益，实现随时间变化的动态补偿，具体为：

滤波器状态更新：

x_k+1＝f(x_k,u_k)+w_k

z_k+1＝h(x_k+1)+v_k+1

式中，f(·)为状态方程，h(·)为量测方程，x、u、z分别对应状态变量、控制变量及量测变量，w为***噪声、v为量测噪声，下角标k表示当前时刻，下角标k+1表示下一时刻；

滤波器时间更新：

式中，Q为***噪声的协方差矩阵，N为预设的容积点数量，

为容积点为i时对应的k-1时刻的***噪声，

为k-1时刻到k时刻的状态变量一步估计值，

为容积点为i时对应的k-1时刻的状态变量值，Q_k-1为k-1时刻***噪声的协方差矩阵，上角标T代表转置，P_k∣k-1为k-1时刻到k时刻的一步预测误差协方差矩阵；

滤波器量测更新：

式中，R_k为k时刻量测噪声的协方差矩阵，

为k-1时刻到k时刻的量测变量一步估计值，

为容积点为i时对应的k-1时刻到k时刻的***噪声，

为容积点为i时对应的k-1时刻到k时刻的状态变量值，

为k-1时刻到k时刻的自相关协方差矩阵，

为k-1时刻到k时刻的互相关协方差矩阵；

滤波增益更新：

式中，K_k表示k时刻的滤波增益，

为k时刻的自相关协方差矩阵，

为k时刻的互相关协方差矩阵。

4.根据权利要求1所述的多加速度计惯导***的组合导航方法，其特征在于，所述的多加速度计惯导***中，三轴中心加速度计和三轴辅助加速度计的安装位置与载体中心的距离相等。

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