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低成本GPS/SINS组合导航系统的设计及实现方案皮运生施国梁摘要:本文利用微型惯性测量元件和GPS-OEM板,以ARM处理器为核心,设计了一种低成本、轻小型的嵌入式GPS/SINS组合导航系统。文中介绍了捷联惯导的原理和初始对准,给出了采用卡尔曼滤波前后系统的误差曲线,和uC/OS-II操作系统下组合导航系统软件的结构。关键词捷联惯性导航GPS导航组合导航卡尔曼滤波文献标识码A中图分类号TP273ThedesignofLow-CostGPS/SINSIntegratedNavigationPiYun-shengShiGuo-liang(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021)Abstract:AnembedGPS/SINSintegratednavigationsystemwiththecoreofARMisdesignedbyusinglow-costingMIMUandGPS-OEMpanelinthispaper.Weanalyzethetheoryofstrapdowninertialnavigationandinitialaimingindetails.GivetheerrorcurvesofthenavigationsystemandtheframeworkofsystemsoftwarebasedonuC/OS-II.Keywords:Strapdowninertialnavigation;Integratednavigation;Globalpositioningsystem;Kalmanfiltering引言现有的各种导航系统各自有其优势和特色但也有其不足之处。捷联惯性导航系统(SINS)是利用惯性元件来感测载体的运动加速度,经过积分运算求出导航参数以确定载体位置;全球定位系统(GPS)采用多星、高轨测距体制,通过四颗卫星同时进行距离测量从而解算出接收机的位置。GPS和SINS都是目前世界上最先进的导航方法,二者各有优缺点,谁也代替不了谁。惯性导航与卫星定位组合导航系统,能充分发挥各自优势,利用GPS的长期稳定性与适中精度,来弥补INS的误差随时间传播而增大的缺点;利用INS的短期高精度来弥补GPS接收机在受到干扰时误差增大或被遮挡时丢失信号的缺点。GPS/SINS组合导航技术,可以大大提高输出数据更新率,防止导航定位误差随时间积累,提高了可靠性和抗干扰能力,是目前最先进、全天候、自主式导航定位技术。1系统硬件设计本文所设计的GPS/SINS组合导航系统,按功能分为GPS模块、SINS模块、数据采集处理模块、LCD显示模块和外围电路五大部分。(1)GPS模块:该模块采用GARMIN公司的GPS15-OEM板。它是12通道的GPS接收机,供耗小,数据更新率为每秒一次。(2)SINS模块:该模块由一个ADI公司的ADXL330三轴加速度计,和3个ADI公司的ADXRS150单轴陀螺仪构成。ADXL330测量范围±3g,ADXRS150测量范围±300°/s。(3)数据采集处理模块:本部分选用PHILIPS公司的LPC2210ARM处理器。LPC2210采用ARM7TDMI微控制器,自带8路10位逐次逼近式A/D转换器。最低转换时间2.44us。2捷联惯性导航系统原理与初始对准2.1捷联惯性导航系统原理捷联式惯导系统最大的特点是没有实体平台,陀螺和加速度计直接安装在载体上,惯性元件的敏感轴安装在载体坐标系(b系)三轴方向上,因为都是固连在载体上,所以测得的都是载体坐标系下的物理量。陀螺仪输出的是载体相对于惯性空间转动的角速度在载体系中投影bib,加速度计测量的是载体相对与惯性空间的加速度在载体系中的投影biba,该量也称为比力,对于捷联惯性导航系统来讲,导航计算并不在载体系中进行,而要在导航坐标系(n系)完成,因此,首先利用陀螺仪测得的bib计算载体坐标系至导航坐标系的坐标变换矩阵nbC;然后利用此矩阵将加速度计测得的biba变换到导航坐标系中;最后通过两次积分,即可得到导航参数。另外,利用坐标变换矩阵的元素,又可以提取载体姿态信息,因此有时称之为姿态矩阵。计算姿态矩阵、提取姿态角和比力变换这三项构成了捷联惯性导航系统的“数学平台”,代替了物理平台。捷联惯导系统基本原理示意图如下图:2.2捷联惯性导航系统的初始对准初始粗准是通过确定初始的捷联矩阵将初始平台坐标系确定在一定的导航坐标上。其目的就是在较短的时间内粗略地确定姿态矩阵nbC,为精对准提供基础。nbC的初值可以通过加速度计和陀螺的测量求得,但是计算得到的矩阵实际是nbCˆ,nˆ为计算导航坐标系,与真正的导航坐标系n不完全重合,存在一个偏角n,不能准确地描述载体坐标系和导航坐标系之间的关系。当求出nˆ系与n系之间的夹角n就可以对nbCˆ进行修正,进而得到较为准确的初始姿态矩阵nbC。在进行初始对准时,设当地经度为,纬度为(由GPS得到),地球的自转角速度ie和重力加速度g已知,因此,ie和g在n系中分量都是确定的。构造一新向量r=gie。根据导航坐标系与载体坐标系之间的变换矩阵nbC可得到:nbnbniebnbienbnbrCrCgCg上式中,bg,b可以测得,ng,nie,nr可通过计算获得,因此,解上述九个方程,就可以求出近似的姿态矩阵nbCˆ。然后利用不同坐标系加速度值和角速度值之间的转化关系就可得到nF:姿态和方向位置速度nibniba陀螺仪加速度计bibabib姿态矩阵姿态矩阵计算姿态角计算ARM处理器导航参数初值nF=0ˆˆˆ0ˆˆˆ0nxnynxnznynz其中cosˆsinˆˆ/ˆˆ/ˆˆienyienxnznxnynynxgfgf(nxfˆ、nyfˆ、nxˆ、nyˆ为加速度计和陀螺的测量值)则n系与nˆ系的转换关系为(考虑nnCˆ为正交矩阵);nnCˆ=I-nFnnCˆ=I+nF由nbCˆ=nnCˆnbC=(I-nF)nbC可得nbC=(I+nF)nbCˆ因此,利用求出的nF,按上述公式即可对计算出的姿态矩阵进行修正。在粗对准中没有考虑陀螺和加速度计的测量误差,为提高对准精度,精对准中必须加以考虑。精对准采用卡尔曼滤波的方法进行计算,状态变量包括三个失准角、三个速度误差、三个陀螺漂移和三个加速度计误差,共计十二维状态变量。卡尔曼滤波方程如下:VHXZGWFXX其中zyxpzpypxUENzyxVVVFFFX,,,,,,,,,,,zyxFFF,,为平台误差角;UENVVV,,为速度在东、北、天方向上的误差;pzpypx,,为陀螺随机漂移;zyx,,为加速度计误差。F,G为组合导航中的动态矩阵及其噪声。初始对准过程中采用速度匹配算法,则:131126333330,,0000VXIZ按上述模型进行滤波解算,求出平台误差角,从而对计算的姿态矩阵进行修正,得到准确的初始姿态矩阵,达到精对准的目的。3仿真实验组合导航系统所参照的坐标系均为当地“东北天”地理坐标系,捷联解算的频率为10Hz,组合滤波的频率为1Hz。引入GPS接收机的位置和速度测量信息对GPS/SINS组合导航系统的误差进行卡尔曼滤波校正。纯捷联惯导系统和组合导航系统的速度误差曲线如下图所示:纯惯导系统的北向速度误差曲线组合导航系统的北向速度误差曲线纯惯导系统的东向速度误差曲线组合导航系统的东向速度误差曲线仿真结果表明,基于卡尔曼滤波的GPS/SINS组合导航系统的定位精度要优于单独GPS或SINS系统的定位精度。4系统软件设计由于导航计算的复杂性和实时性,很难用一个主循环和几个顺序调用的子程序模块的程序设计方法来进行处理。所以我们选择了源码公开的实时操作系统uC/OS-II。本文所设计的组合导航系统软件部分如下图所示,共有七个模块组成:GPS数据处理模块,SINS数据处理模块,显示数据处理模块,姿态矩阵计算模块,导航计算模块,姿态计算模块,卡尔曼滤波模块。每个模块均看成独立的任务。在程序设计中我们设定微惯性测量单元的采样频率为10Hz,GPS的采样频率为1Hz,位置、速度信息的输出频率为1Hz,我们设计ARM处理器每20ms计算一次姿态矩阵,每100ms进行一次导航计算和姿态角计算,并输出位置和速度信息,每1000ms进行一次卡尔曼滤波,估计惯导系统的误差,用于反馈控制。5结语GPS/SINS组合导航系统可以充分利用GPS与SINS之间的互补特性,无论在精度、可靠性方面,组合系统都优于单独的子系统。随着电子工业的发展,各种低成本、高性能的微惯性元件层出不穷,这就为低成本组合导航系统提供了很好技术条件。组合导航系统的应用范围也由单一军用导弹导航扩展到民用车辆、舰船、飞机导航等领域。组合导航系统将会发挥越来越大的作用。本文作者创新点:本文设计的GPS/SINS组合导航系统成本低廉,采用Kalman滤波技术得到的导航数据精度可靠,具有很高的性价比。软件方面使用uC/OS-II操作系统实现了组合导航的实时性。这三者的结合使用目前在国内的车辆组合导航领域应用的比较少,实现了技术应用上的创新。参考文献1高社生,李华星等INS/SAR组合导航定位技术与应用[M]西安:西北工业大学出版社20042付梦印,邓志红,张继伟Kalman滤波理论及其在导航系统中的应用[M]北京:科学出版社20033刘俊,石云波,李杰微惯性技术[M]北京:电子工业出版社20054杜萌,付梦印,王美玲基于DSP的车载GPS/DR组合导航系统硬件设计[J].《微计算机信息》200612-2:103-105作者简介:皮运生(1979-),男(汉族),苏州大学硕士研究生,研究方向:计算机通信。施国梁(1963-),男(汉族),苏州大学副教授,研究方向:嵌入式系统,数字信号处理。Biography:PiYun-Sheng(1979-),Male(Hannationality),GraduatestudentofSoochowUniversity,Researcharea:Communicationsofcomputer.ShiGuo-Liang(1963-),Male(Hannationality),ProfessorofSoochowUniversity,Researcharea:Communicationsofcomputer,embedsystem,digitalsignalprocessing.联系地址:苏州大学北校区89信箱邮编:215021
本文标题:低成本GPS_SINS组合导航系统的设计及实现方案
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