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高精度车载惯性导航系统关键技术研究

作　者: 曲铁军
导　师: 胡恒章；田自耘
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 漂移补偿遗传算法 Kalman滤波组合导航重力梯度仪
分类号: TN966
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文对提高车载惯性导航系统导航精度的关键技术进行了研究。使用遗传算法、Kalman滤波器、旋转加速度计重力梯度仪研究了平台式惯导系统漂移的观测与补偿方案。首先对遗传算法的相关问题进行了研究,给出了一种收敛速度快、寻优精度高、实现方便的浮点数编码遗传算法(FGA),通过对几个著名的遗传算法测试函数进行寻优,验证了其有效性,说明在实值函数寻优问题上,FGA优于二进制编码遗传算法,并基于有限Markov链证明了所设计的FGA的收敛性。提出了采用FGA的平台漂移自补偿算法。在平台式惯导系统中,对引起平台漂移的原因进行了分析,将引起平台漂移的干扰力矩进行细化,用干扰力矩的模型参数来表征时变的干扰力矩,建立从这些模型参数到陀螺仪输出信号的函数关系,采用浮点制遗传算法辨识这些模型参数,然后对干扰力矩进行补偿,达到减小平台漂移的目的。该算法仅利用平台中陀螺仪的输出信号作为参考信号,是一种平台漂移的自补偿方案。仿真结果验证了该方法的有效性。在导航领域,Kalman滤波技术经常被用于参数估计和组合导航。将所设计的浮点制遗传算法应用到Kalman滤波器池中,设计出一种使用遗传算法的Kalman滤波器,即通过遗传算法的寻优,找到较优的滤波参数,以改善滤波效果,并给出了离线和在线两种方案,离线方案以辨识最优滤波参数为主要目的,而在线实现以对状态进行实时估计为主要目的。仿真例子说明了这两种方案的有效性。组合导航是提高导航精度的重要方法。设计了惯性/分布式地标组合导航方案,并进行了仿真研究。将所设计的使用遗传算法的Kalman滤波器应用于组合导航方案中,达到了满意的效果。重力梯度仪理论是Rummel在1986年建立的。随着旋转加速度计重力梯度仪理论和实践研究的飞速发展,该仪器的应用研究,引起了人们的关注。利用旋转加速度计重力梯度仪和方位余弦阵提出了一种平台漂移实时计算方法。用向量代数理论研究了方位余弦阵的性质。从平台漂移与姿态矩阵的关

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-10
Contents  10-13
第1章绪论  13-26
  1.1 论文背景  13-14
  1.2 导航技术  14-17
  1.3 遗传算法  17-23
    1.3.1 遗传算法的历史回顾  17-18
    1.3.2 遗传算法的方法及理论的研究现状  18-21
    1.3.3 遗传算法的优势和存在的问题  21-22
    1.3.4 遗传算法的应用研究现状  22-23
  1.4 Kalman滤波器的滤波参数  23-24
  1.5 旋转加速度计重力梯度仪  24
  1.6 本文的主要研究工作及成果  24-26
第2章平台式惯导系统漂移自补偿算法研究  26-45
  2.1 引言  26-27
  2.2 遗传算法  27-37
    2.2.1 二进制编码的遗传算法  27-30
    2.2.2 浮点制编码的遗传算法  30-37
  2.3 使用遗传算法的平台漂移自补偿算法  37-43
    2.3.1 陀螺稳定平台漂移分析  38-40
    2.3.2 算法实现  40-42
    2.3.3 仿真算例  42-43
  2.4 本章小结  43-45
第3章遗传算法在Kalman滤波器中的应用  45-61
  3.1 引言  45-46
  3.2 离散系统Kalman滤波器  46
  3.3 异步Kalman滤波器  46-48
  3.4 使用遗传算法的Kalman滤波器  48-60
    3.4.1 Kalman滤波器池  48-50
    3.4.2 使用遗传算法的Kalman滤波器  50
    3.4.3 目标函数的确定  50-51
    3.4.4 遗传算法的实现  51-54
    3.4.5 仿真算例  54-60
  3.5 本章小结  60-61
第4章分布式地标组合导航系统仿真研究  61-70
  4.1 引言  61
  4.2 惯性导航系统  61-64
    4.2.1 平台式指北方位惯导系统  62-63
    4.2.2 平台式指北惯导系统的误差方程  63-64
  4.3 分布式地标组合导航  64-67
  4.4 使用遗传算法的Kalman滤波器在组合导航中的应用  67-69
    4.4.1 离线方案仿真  68
    4.4.2 在线方案仿真  68-69
  4.5 本章小节  69-70
第5章采用旋转加速度计重力梯度仪的平台漂移补偿算法研究  70-93
  5.1 引言  70
  5.2 两个坐标系之间的坐标变换  70-73
  5.3 方向余弦阵的性质  73-81
    5.3.1 预备知识  73-74
    5.3.2 姿态矩阵的定义及基本性质  74-75
    5.3.3 绕任意轴旋转的姿态矩阵的确定  75-76
    5.3.4 姿态矩阵的特征值和特征向量  76-79
    5.3.5 姿态矩阵合成的性质  79-81
  5.4 陀螺漂移与姿态矩阵的关系  81-82
  5.5 利用旋转加速度计重力梯度仪的平台漂移补偿方案  82-92
    5.5.1 旋转加速度计重力梯度仪的测量原理  84-86
    5.5.2 对测得的重力梯度的分离  86-87
    5.5.3 应用旋转加速度计重力梯度仪的平台漂移补偿算法  87-89
    5.5.4 仿真研究  89-92
  5.6 本章小结  92-93
结论  93-96
参考文献  96-106
攻读博士学位期间发表的论文  106-108
致谢  108-109
个人简历  109

高精度车载惯性导航系统关键技术研究

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