基于MEMS-INS/GPS/磁强计的车载安全智能监测技术研究

摘要

随着我国汽车保有量的增加以及城市建设密集化的特点，智能交通系统成为我国信息化建设的重要组成部分，而其中车载导航安全监测更是智能交通系统重要的课题。现有的车载安全监测系统只配备于高端特种车辆，且与汽车内部信号系统高度集成，系统价格昂贵。针对低端车市场，研究一种价格低廉并独立自主的车载安全监测系统具有重要的意义。
　　针对目前市面上的车载安全监测系统存在的问题，本文提出一种基于MEMS-INS/GPS/磁强计的组合式车载安全监测方案。通过对微惯导系统、GPS和磁强计进行信息融合与完好性监测，独立自主地获取高精度的、连续的、可靠的车辆导航信息对车辆碰撞、超速、姿态异常进行实时监测。本论文主要研究内容如下：
　　（1）基于MEMS加速度、MEMS陀螺仪和磁强计设计了组合定姿硬件平台，利用VC++软件开发平台设计了数据采集软件。为了提高组合定姿系统的精度，设计速率试验方案和“六位置”静态试验方案，采用连续7天标定试验对MEMS-INS系统进行标定。对磁强计进行误差分析，重点分析软磁和硬磁干扰对磁强计的影响，提出基于椭圆假设的磁强计罗差补偿方法，采用“八位置”法采集实际数据进行验证分析，验证了该方法的有效性。
　　（2）研究捷联惯导系统基本原理和磁强计测向原理，设计了基于MEMS-INS/磁强计的组合定姿方案。利用精度较高的MEMS加速度计测量重力场矢量确定俯仰角和横滚角，利用罗差校正后的磁强计测量地磁场矢量确定航向角，采用Kalman最优估计算法对MEMS-INS与磁强计信息融合，估计输出组合定姿系统的最优姿态，为车载安全监测提供高精度姿态信息。针对单独利用GPS定位和测速容易受信号干扰产生较大误差而不利于车载安全监测的问题，设计了基于MEMS-INS/GPS/磁强计的松组合定位导航方案，即采用闭环反馈Kalman滤波器融合GPS、磁强计辅助微惯导系统实现组合导航，为车载安全监测提供高精度的姿态、速度、位置等车辆状态信息。
　　（3）根据所设计的组合定姿系统和组合导航系统提供的车辆导航状态信息，研究多种智能监测策略，包括基于速度的超速检测、基于姿态的安全检测、基于加速度的碰撞检测方法以及完好性监测的方法。其中重点研究并分析了“快照”型RAIM算法，提出并设计了基于Kalman滤波新息残差的完好性监测算法，对系统中的MEMS-INS、GPS、磁强计引起的故障实时监测。通过对实际跑车实验采集的数据进行分析，验证了该算法能够有效检测出系统中存在的故障并向用户告警。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景目的和意义

1.2 国内外发展现状分析

1.3 本文主要研究内容及结构安排

第2章 车载安全监测系统方案设计

2.1 常用坐标系的定义与坐标系转换

2.2 捷联惯导系统误差模型

2.3 磁强计工作原理

2.4 GPS伪距单点定位原理

2.5 MEMS-INS/磁强计组合定姿滤波器设计

2.6 MEMS-INS/GPS/磁强计组合导航滤波器设计

2.7 本章小结

第3章 MEMS-INS标定与磁强计误差补偿

3.1 MEMS惯性器件误差源

3.2 MEMS惯性器件基本模型

3.3 惯性器件的标定试验及分析

3.4 磁强计误差分析

3.5 磁强计误差补偿方法研究

3.6 本章小结

第4章 基于组合导航系统的车载安全监测技术

4.1基于组合导航系统的车载安全检测

4.2 “快照”型完好性监测算法分析

4.3 基于Kalman滤波的RAIM算法

4.4 本章小结

第5章 车载安全监测系统软硬件实现及性能分析

5.1 基于MEMS-INS/磁强计组合定姿系统硬件设计及实现

5.2 数据采集软件的设计与实现

5.3 基于组合定姿系统的车载安全检测性能分析

5.4 基于组合导航的车载安全检测性能分析

5.5 基于组合导航的车载安全检测系统完好性测试分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢