ch2-航位推算

第2章航位推算（DR）定位技术航位推算法（英语：Deadreckoning，简称DR）是利用已知位置，结合移动速度跟方位，来推算出现有位置的过程。传统上的航海，现代则的惯性导航系统都应用航位推算法来找出位置。航位推算法的缺点是，因为新的位置是用之前的位置推导出来，在过程中的误差值会被累加，因此它的错误率会随着时间而成长。2.1航位推算定位的基本原理（DR-DeadReckoning）DR技术是利用速度传感器——里程表和航向传感器——电子罗盘或者陀螺仪测量位移方向，从而推算车辆的位置。基本思想：当车辆在二维平面空间行驶时，如果初始位置和先前的每步位移均已知的话，在任何时刻的车辆位置都是可以计算的。2.2航位推算系统的组成及其误差分析1、航位推算（DR-DeadReckoning),一般由里程计和惯性测量单元（IMU）或电子罗盘组成，里程计用于测量车辆的行驶距离信息，IMU或电子罗盘用于测量车辆的速度或者方向信息。(1)里程计：[speedometer](如装在汽车上的)测量行程及速度的装置（2）惯性测量单元（IMU）：（英文：Inertialmeasurementunit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中用着很重要的应用价值。为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器。一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。背景技术利用三轴地磁解耦和三轴加速度计，受外力加速度影响很大，在运动/振动等环境中，输出方向角误差较大,此外地磁传感器有缺点，它的绝对参照物是地磁场的磁力线,地磁的特点是使用范围大，但强度较低，约零点几高斯，非常容易受到其它磁体的干扰，如果融合了Z轴陀螺仪的瞬时角度，就可以使系统数据更加稳定。加速度测量的是重力方向，在无外力加速度的情况下，能准确输出ROLL/PITCH两轴姿态角度并且此角度不会有累积误差，在更长的时间尺度内都是准确的。但是加速度传感器测角度的缺点是加速度传感器实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变，而惯性力与重力本质是一样的,所以加速度计就不会区分重力加速度与外力加速度，当系统在三维空间做变速运动时，它的输出就不正确了。陀螺仪输出角速度，是瞬时量，角速度在姿态平衡上是不能直接使用，需要角速度与时间积分计算角度，得到的角度变化量与初始角度相加，就得到目标角度，其中积分时间Dt越小，输出角度越精确,但陀螺仪的原理决定了它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物，加上Dt是不可能无限小,所以积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加，最终导致输出角度与实际不符，所以陀螺仪只能工作在相对较短的时间尺度内。所以在没有其它参照物的基础上，要得到较为真实的姿态角，就要利用加权算法扬长避短，结合两者的优点，摈弃其各自缺点,设计算法在短时间尺度内增加陀螺仪的权值，在更长时间尺度内增加加速度权值，这样系统输出角度就接近真实值了。惯性测量装置IMU的工作原理惯性测量装置IMU属于捷联式惯导，该系统有两个加速度传感器与三个速度传感器（陀螺）组成，加速度计用来感受飞机相对于地垂线的加速度分量，速度传感器用来感受飞机的角度信息，该子部件主要有两个A/D转换器AD7716BS与64K的E/EPROM存储器X25650构成，A/D转换器采用IMU各传感器的模拟变量，转换为数字信息后经过CPU计算后最后输出飞机俯仰角度、倾斜角度与侧滑角度，E/EPROM存储器主要存储了IMU各传感器的线性曲线图与IMU各传感器的件号与序号，部品在刚开机时，图像处理单元读取E/EPROM内的线性曲线参数为后续角度计算提供初始信息。IMU的具体实物见图。（3）电子罗盘：电子罗盘，也叫数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种方法。古代称为罗经，现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。功能简介电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用时要求很高，但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话，平面罗盘是一种性价比很好的选择。三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果电子罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。原理三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2Gauss。通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度，不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。仅用地磁场在X和Y的两个分矢量值便可确定方位值：Azimuth=arcTan(Y/X)该关系式是在检测仪器与地表面平行时才成立。当仪器发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小。为减少该误差的影响，采用双轴倾角传感器来测量俯仰和侧倾角，这个俯仰角被定义为由前向后方向的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。电子罗盘将俯仰和侧倾角的数据经过转换计算，将磁力仪在三个轴向上的矢量在原来的位置“拉”回到水平的位置。标准的转换计算式如下：Xr=Xcosα+Ysinαsinβ-ZcosβsinαYr=Xcosβ+Zsinβ这里Xr和Yr为要转换到水平位置的值α为俯仰角β为侧倾角从以上这三个计算公式可以看出，在整个补偿技术中Z轴向的矢量扮演一个非常重要的角色。要正确运用这些值，俯仰和侧倾角的数字必须时刻更新。采用双轴宽线性量程范围、高分辨率、温漂系数低的陶瓷基体电解质传感器来测量俯仰角和侧倾角，倾角数值经过电路板上的温度传感器补偿后得出的。特点典型的数字罗盘具有以下特点:1．三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。2．高速高精度A/D转换。3．内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。4．内置微处理器计算传感器与磁北夹角。5．具有简单有效的用户标校指令。6．具有指向零点修正功能。7．外壳结构防水，无磁。电子罗盘的原理是测量地球磁场，如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考虑使用陀螺来测定航向了。2、航位推算系统是一种自主式（独立）导航系统，它完全依靠车载的设备自主地完成导航任务，因此很少受到周围环境的干扰和影响。3、误差：由于航位推算是一个累积的过程，因此，所有的传感器误差均会造成位置误差的积累，产生定位误差积累的原因主要有(1)里程表误差，(2)角速率陀螺漂移误差，(3)航向误差。减小这些误差的方法有:(2)利用GPS精确定位信息对导航传感器的误差进行校正。(1)采用卡尔曼滤波技术对角速率陀螺信号进行滤波处理，减小干扰和漂移误差。