车载GPSMIMUDM组合导航系统研究

重庆大学硕士学位论文车载GPS/MIMU/DM组合导航系统研究姓名：张再勇申请学位级别：硕士专业：导航、制导与控制指导教师：李斌;柴毅20050501重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要近年近年来随着科学技术的飞速发展，车辆导航系统得到了越来越广泛的应用。如何在车辆行驶的条件下获得尽可能精确的定位信息，如何开发应用低成本的车辆导航系统成为紧要的问题。目前全球定位（GlobalPositioningSystem）、惯性导航（InertialNavigationSystem）是车辆导航领域两大重要技术。由于美国针对GPS制定的SA政策，降低了一般民用卫星定位的精度（单点定位精度为25m－30m）,再有GPS本身具有的峡谷效应，接收机经常会因为无法锁定卫星信号，失去定位能力，从而单纯使用GPS定位很难取得令人满意的定位效果。惯性导航系统INS(InertialNavigationSystem)是基于惯性传感器的自主式导航系统,其通常由惯性测量单元IMU(InertialMeasurementUnit)、计算机、控制显示器等组成。其中的关键是惯性测量单元,它的精度决定了整个导航系统的精度。惯性导航利用惯导传感器测量运动的加速度，经计算确定车辆位置，实现车辆的自主定位，但惯性元件的漂移误差和标定误差将使累计误差随着时间逐渐积累，最终达到无法忍受的程度，而且目前高精度的INS系统价格昂贵，很难在车载导航系统中得到推广。惯性技术的发展表明：从传统的机械式惯性器件向固态化转移并进一步向以半导体硅为基础材料的微硅惯性器件的发展已成为今后惯性技术发展的总趋势。采用基于MEMS技术的MIMU和GPS组成的组合导航系统结合了GPS的高精度定位,误差无积累及惯导的自主性、实时性等优点,使导航系统的成本下降,可靠性增加,精度得到提高。为了实现连续、实时的车辆导航，本文着重研究了GPS和MIMU（微惯性导航测量组合单元）组合导航系统，设计实现了车载GPS/MIMU组合导航系统最优综合的卡尔曼滤波器，并给出了滤波算法，理论分析及计算机仿真结果均表明，应用该卡尔曼滤波器可大大提高车载GPS/MIMU组合导航系统的定位精度及容错能力,为使车辆得到近于无误差的定位结果，本文分析了车辆导航用的数字地图编码，研究了基于概率统计的地图匹配方法并对系统进行了设计。关键词：车辆定位与导航全球定位系统(GPS)微惯性测量单元（MIMU）地图匹配GPS/MIMU组合导航卡尔曼滤波重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTInrecentyears,withthedevelopmentofthemicro-electronicstechnique.thepriceofGPSreceiverandMIMUhavebeengreatlyfalling,thisconsumedlypromotethedevelopmentofGPSandMIMUinpublicfield,andespeciallyinthevehiclenavigationfield.AsaresultoftheUnitedStatesclosingSAtostoplimitingthepulblicpositionaccuracyofGPS,theGPSpositioningaccuracyhaveimprovedgreatlyinpublicfieldandGPSshowsitssuperiorlynavigationperformance.TheGPSappliedtothevehiclenavigationhavealreadybecomeoneofthebiggestindustryinGPSapplicationfield.However,theGPS'workwouldsufferseriouslytheinfluenceoftheparticularenvironmentandcan'tsomuchascompletethepositioning.sothispaperstudymailythedesignoftheGPS/MIMUintegratedvehicularnavigationsysteminordertorealizingcontinuousandReal-timenavigation.Atthesametime,forprovidingtheresultofpositioningthathavenoerrornearlyfordrivers,thispaperstudythemethodofmapmatching.Thispaperalalyzethedevelopmentofthevehiclepositioningandnavigationsystem.TheGPSpositioningmodesthatcanbeintroducedinthevehiclenavigationsystemareanalyzed.thenavigationalgorithmandaccuracyofGPSvehiclenavigationssystemarestudied,anditisprovedbysimulation.TThebasicprincipleofMIMUsystemisanalyzed,andtheprincipleanderrorsofafewadoptableMIMUsensorsareintroduced.ForrealizingcontinuousandReal-timenavigation,AKalmanfiltermechanizationtorealizetheoptimalsynthesisofGPS/MIMUintegratednavigationsystemisdesignedfirstanditsalgorithmispresented.ThetheoreticalanalysisandsimulationrestlltsallshowthatthepositioningaccuracyandredundaancyoftheGPS/MIMUintegratednavigationsystemcanbegreatlyimprovedbyusingtheadaptiveKalmanfilter.Forprovidingtheresultofpositioningthathavenoerrornearlyfordrivers.thispaperanalyzethecodingofdigitalmapusedtovehiclenavigation,andstudiedthemethodofmapmatchingbasedonprobability.Finally,simulationsoftwareusedtostudyvehiclenavigationwasdesigned.Thesoftwarehasacertainpracticalvalue.Keywords:VehiclepositionandnavigationGPSnavigationMIMUmapmatchingGPS/MIMUIntegratedKalmanfilter重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1车载导航系统概述导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及个人（总称作运载体）安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。导航的基本功能是回答：我现在在那里？我要去那里？如何去？总之，“导航”就是正确地引导机动载体沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地[1]完成这个任务，需要随时知道机动载体的瞬时位置、运行速度、载体的姿态航向等导航参数。导航功能由导航系统来完成，包括装在运载体上的导航设备以及装在其它地方与导航设备配合使用的导航台。车载导航系统是集多种传感器、驱动控制、微控制器于一体，是人工智能、自动控制、运筹规划以及信息技术相结合的智能控制体系[2]。车载导航系统应用领域非常广泛，包括城市交通运输、自动驾驶车、盲人导航车、火灾中的自动灭火车、救生机器人，核电站中的放射性物质的收集和搬运机器人，办公楼中顾客导航车或办公自动化的物品传送车，生活小区的巡逻车，工厂环境中的运输车以及在未知环境表面搜集地面地理信息的自主式环境探险车（如月球探险车、南极矿藏探测车、水下机器人）等，在军事领域中也有非常广泛的应用，如作为演习标靶，在战场上进行遥控侦察、弹药输送、排雷、布雷等危险工作。发展无人驾驶汽车、军车机动定位技术、军车后勤跟踪技术、军车信息系统技术以及军车导驶技术等，是根据各国对未来战争样式的认识而得出的，车辆导航系统在未来战争军队交通运输中占有举足轻重的地位，是军事指挥、作战训练和情报侦察等方面必不可少的基础信息，在数字化战场环境建设中有十分重要的地位。可见，车载导航系统的研究除了在民用上具有广阔的实际应用前景，还因其特殊潜在的军用价值而受到各国的普遍关注。此外它还是导航技术中的一类基础性的学术工作，已经成为各国科研人员研究的重点领域之一，有重要的学术意义。1.2车载导航系统的发展概况及研究现状车载导航系统的概念最初起始于六十年代末，当时采用航位推算（DR）/地图匹配技术（DM）实现车辆的定位与导航。航位推算系统通常由里程表、角速率陀螺、磁罗盘、微处理器等组成，由于这种航位推算系统容易产生误差积累，定位精度低，故需要利用数字地图匹配进行校正，尽管如此，单纯的航位推算系统误差还是较大，动态定位精度也较低，所以其实用性受到极大的限制。这类系统有八十年代欧洲的“CITYPLOT”车载航位推算系统，美国的EtakNavigator，荷重庆大学硕士学位论文1绪论2兰Phllips公司的“CARIN”车辆定位系统，德国的“ALT-SCOUT车辆路线制导系统，英国的“Autoguide”车辆导航系统等，这些系统被称为第一代车辆定位与导航系统[3]。八十年代末，GPS定位技术的广泛应用，使得GPS技术很快应用到车辆的定位与导航中。由于在任一时刻，地球上任一目标都能通过GPS定位系统得知其三维坐标、三维速度和准确时间，在车辆上安装GPS接收机，便能获知汽车位置、运行速度和运行方向。但是，车载GPS接收机的定位精度通常受到卫星信号状况和道路环境的影响，在一天内，不同时间及不同的地区卫星信号的状况差别很大，有时甚至不能接收到正常的GPS信号；另外，当车辆行驶在隧道内、高层建筑附近及林荫道上时，也不能正常接收到卫星信号，从而无法定位。因此，尽管车载GPS定位导航系统的定位精度比早期的航位推算系统的精度提高了一步，实用性得到了很大改善，但单纯的GPS定位系统仍存在着定位精度有时较低、可靠性不高的问题。从九十年代开始，国外进行GPS组合导航技术在车辆导航中的应用研究。目前，国外几家公司己经提出了自己的车辆导航系统，如法国的CARMINAT车辆组合导航及信息系统，美国GENERALMOTOR公司实验室研制的“TRAVERTEK”车辆导航及信息系统，日本SUMITOMO电子公司研制的SUMITOMO汽车电子导航系统，美国FORDMOTOR公司和CHRYSLERMOTOR公司等提出的IVHS智能车路系统等，这些系统被称为第二代车辆导航系统[4]。它们的共同特点是车辆的定位精度比第一代系统有极大提高，都是利用GPS组合导航技术来提高定位精度及导航系统的可靠性。目前，国外许多研究人员都在致力于组合导航定位系统的研究，把进一步提高车辆的定位精度和降低系统的成本作为努力研究的目标。相比较而言，我国的车辆导航系统的研究只是刚刚起步，但采用GPS进行车辆导航的定位系统在最近几年己经有了很大的发展。目前，在我国政府及有关部门的重视下，有些企业、公司已经开发、研制出了一些车辆导航和监控系统，并初步投入了使用，但所有这些系统都不是很完善，有待进一步研究和改善。目前车辆导航主要有以下几种方法：1.2.1GPS车辆导航在GPS取消SA政策后，GPS的C/A码定位精度得到很大的提高，大多数情况下能够达到20m的定位精