基于MEMS惯性器件的个人导航系统算法与软件设计与实现

摘要

随着计算机技术的飞速发展，导航定位技术已经离不开人们的日常生活。导航定位系统的应用研究已经成为高校研究的一个热点，也越来越受国内外学者们的重视。为了使导航系统能够在不同的导航环境中连续定位，不受GPS信号缺失的影响，本文提出了一种具有室内外无缝定位功能的个人导航系统，并在此基础上展开研究工作。本论文的主要研究内容和成果如下:
　　1.本文针对个人导航系统的硬件需求，提出了硬件系统的总体方案，设计了基于DSP+FPGA的导航计算机，并完成了系统硬件模块的选型工作，使系统达到工作要求。在DSP中进行导航算法移植，并搭建DSP环境，包括DSP芯片初始化、命令文件和实现自引导，使系统能够进行实时导航。
　　2.本文完成了MEMS传感器的温度补偿和标定补偿，提高了惯性器件的测量精度。在此基础上，针对惯性导航和GPS组合导航进行探究，研究了以四元数为核心的捷联导航算法以及松组合的组合导航方式，设计了12维状态变量的卡尔曼滤波器，融合GPS导航数据、磁航向角和捷联导航数据，实现室外导航。
　　3.本文以磁罗盘和MEMS(Micro-electromechanical Systems微机电系统)加速度计为研究对象，利用椭圆修正算法对磁罗盘罗差进行补偿以提供室内环境下的航向角信息，通过分析MEMS加速度计垂直向加速度的变化规律，利用动态阈值和动态精度进行步态检测，通过步行实验进行计步算法验证，实现室内导航。
　　4.对系统进行摆动实验、静态实验和动态实验。通过摆动实验验证了组合导航姿态角的测量精度，其中单轴摆动时，横滚角、俯仰角和航向角的误差均在±0.8°以内;通过静态实验，系统姿态角误差控制在±0.5°以内，速度误差小于±0.07m/s;通过动态实验，导航系统不仅能够分别实现室内定位和室外定位，而且能够实现室内外无缝定位，定位误差在5m以内。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 室内导航系统研究现状

1．2．2 室外导航系统研究现状

1．3 本论文主要工作和结构安排

第二章 个人导航仪系统说明

2．1 硬件系统

2．1．1 硬件设计总体方案

2．1．2 导航计算机硬件选型

2．1．3 数据采集模块硬件选型

2．2 DSP软件设计

2．2．1 基本配置

2．2．2 命令文件

2．2．3 自启动实现

2．2．4 室内外导航算法的实现

2．3 本章小结

第三章 室外组合导航算法与软件设计

3．1 惯性器件特性分析

3．1．1 温度补偿

3．1．2 传感器标定

3．2 捷联惯性导航算法

3．2．1 坐标转换

3．2．2 姿态矩阵更新

3．2．3 位置和速度更新

3．3 组合导航系统设计

3．3．1 组合导航方式

3．3．2 卡尔曼滤波方程

3．3．3 系统卡尔曼滤波器设计

3．4 组合导航算法流程

3．4．1 捷联导航算法流程

3．4．2 卡尔曼滤波流程

3．5 本章小结

第四章 室内导航算法与软件设计

4．1 磁罗盘航向解算

4．1．1 磁罗盘工作原理

4．1．2 磁罗盘误差分析与补偿

4．1．3 误差补偿验证

4．2 计步器功能实现

4．2．1 行人步态数据分析，

4．2．2 步数识别及算法验证

4．2．3 步数检测实验

4．2．4 航迹推算法

4．3 室内导航算法流程

4．3．1 磁航向解算流程

4．3．2 计步器算法流程

4．4 上位机程序设计

4．5 本章小结

第五章 实验与分析

5．1 转台摆动实验

5．1．1 单轴摆动实验

5．1．2 双轴摆动实验

5．1．3 三轴摆动实验

5．2 系统静态实验

5．3 系统动态实验

5．3．1 室外试验

5．3．2 室内试验

5．3．3 室内外无缝定位试验

5．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

作者简介