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捷联惯性导航初始对准技术研究

作　者: 李辰淑
导　师: 郝应光
学　校: 大连理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 初始对准传递对准微惯导系统 Kalman滤波
分类号: TN96
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

无人机受起飞重量、成本、性能等因素制约,多采用基于MEMS的惯性导航设备,而MEMS惯性导航设备的快速、高精度初始对准技术是保证其可靠应用的关键,本文研究了微惯性导航系统MEMS-INS的初始对准问题,设计了静基座条件下的改进Kalman精对准滤波模型,并进行了初始对准试验；针对无人机舰载应用条件下的传递对准问题,提出了一种速度加量测姿态四元数的快速传递对准方法。在微惯性导航系统MEMS-INS的初始对准过程中,由于MEMS陀螺仪自身精度较低,需要融合其他辅助信息来提高初始对准精度。本文利用MEMS惯性测量单元和MEMS磁强计信息,建立了MEMS-INS误差模型,设计了基于信息融合的静基座对准Kalman滤波模型。采用Crossbow公司的AHRS440惯性测量系统作为惯性测量组件,通过编制接口程序实时采集数据。根据AHRS440的数据协议对加速度、角速度和姿态数据进行解析存储,以此作为对准研究的原始数据。利用一定时间内均值滤波后的数据进行粗对准；粗对准完成后,采用所设计的改进Kalman滤波器完成精对准,估计出了微惯导系统初始对准的失准角,验证了所提出方法的可行性。针对无人机动基座传递对准问题,在速度匹配和速度加姿态匹配传递对准方法的基础上,提出了一种速度加量测姿态四元数匹配的快速传递对准方法,建立了速度误差微分方程和失准角微分方程,并设计了误差滤波模型。在此基础上,对传递对准的主要误差(杆臂效应误差和挠曲变形误差)产生原理及相应补偿方法进行了研究。对于杆臂效应误差,分别采用滤波补偿和计算补偿两种方法,较好地实现了杆臂效应补偿；对于挠曲变形误差,采用二阶Markov过程作为其误差模型,并在已有状态变量中加入挠曲相关变量,实现了挠曲变形补偿。基于Matlab设计了传递对准的仿真环境,对所提出的传递对准方法进行了仿真实验验证。仿真结果表明,本文提出的速度加量测姿态四元数匹配法的估计精度较好,能够克服杆臂效应误差和挠曲变形误差对传递对准的影响。本文完成了MEMS-INS初始对准的半实物试验,试验取得了满意的效果；对传递对准方法及误差补偿进行了仿真,结果表明了所提出方法的可靠性和有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-12
  1.1 惯性导航及初始对准技术  8
  1.2 国内外研究现状  8-10
  1.3 课题研究的背景和意义  10
  1.4 论文的主要工作  10-12
2 微惯导系统的初始对准  12-22
  2.1 初始对准技术概述  12-15
    2.1.1 常用坐标系和参数说明  12-13
    2.1.2 卡尔曼滤波理论  13-15
  2.2 微惯性导航系统初始对准  15-22
    2.2.1 粗对准  15-17
    2.2.2 精对准  17-22
3 微惯导系统初始对准试验  22-36
  3.1 数据采集  22-27
    3.1.1 串口通信模块  23-24
    3.1.2 数据解析存储  24-27
  3.2 静基座初始对准实现  27-36
    3.2.1 粗对准  27-29
    3.2.2 精对准  29-31
    3.2.3 初始对准试验结果及分析  31-36
4 舰载无人机初始对准研究  36-50
  4.1 速度匹配传递对准  36-37
  4.2 速度加姿态传递对准  37
  4.3 速度加量测姿态四元数传递对准  37-42
    4.3.1 传递对准状态方程  37-40
    4.3.2 传递对准量测方程  40-41
    4.3.3 卡尔曼滤波器设计  41-42
  4.4 传递对准的误差研究  42-50
    4.4.1 杆臂效应误差  42-47
    4.4.2 挠曲变形误差  47-50
5 舰载无人机初始对准方法实验  50-58
  5.1 仿真系统框架设计  50-51
  5.2 仿真条件设定  51
  5.3 传递对准方法仿真分析  51-53
  5.4 传递对准误差仿真分析  53-58
    5.4.1 杆臂效应补偿仿真分析  53-56
    5.4.2 挠曲变形补偿仿真分析  56-58
结论  58-59
参考文献  59-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  62-63
致谢  63-64

捷联惯性导航初始对准技术研究

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