基于捷联惯导的智能小车组合定位方法研究

摘要

智能小车涉及电子、机械、自动控制、人工智能、力学等学科领域，它也是移动机器人类型中的一种。随着社会的发展，计算机技术和传感器技术日新月异，移动机器人技术也取得了突飞猛进的发展，智能小车被运用于航天、军事、航海等重大领域，其定位和导航问题成为各国科学家、学者及世界知名公司研究的热点，研究组合定位技术具有重要的现实意义和学术价值。
　　本文综合用途、成本、实验条件等因素，搭建了智能小车硬件实验平台，以捷联惯导系统和航迹推算系统为组合定位方案，研究的主要内容包括:
　　1.研究捷联惯导系统的理论算法，为组合定位系统的研究打下基础。目前捷联惯导系统主要以增量的形式进行加速度、角增量数据输出，本文首先在研究欧拉角法、四元数法、方向余弦法、等效旋转矢量法等理论算法的基础上，根据智能小车应用背景和各算法的特征，深入探讨了等效旋转法加四元数方法的室内定位算法;文中对运载体所产生划船效应和涡卷效应误差进行误差补偿研究;对捷联惯导的姿态、速度、位置更新算法进行了简化。
　　2.研究智能小车各硬件功能模块，搭建了智能小车硬件平台。在完成智能小车总体方案设计的基础上，设计了智能小车的行走驱动模块、寻迹模块和主控系统;重点完成了定位模块的设计，包括电源模块、电机测速模块、惯性导航模块等。
　　3.研究航迹推算系统的姿态更新、位置更新问题，对姿态误差方程、速度误差方程、位置误差方程进行推算和简化;进一步提出了一种以捷联惯导系统和航迹推算系统的误差状态变量做算法融合的组合定位模型;该组合定位模型中的粗对准采用加速度计和磁力计进行姿态估计;精对准采用卡尔曼滤波对陀螺仪误差、加速度误差、磁力计误差及失准角进行估计，以估计的误差值修正姿态矩阵。
　　4.针对智能小车的组合式定位系统进行解算程序设计和误差补偿程序设计，然后，对智能小车进行矩形轨迹和圆形轨迹测试分析，并用MATLAB进行数据仿真得出结论，结果表明组合定位系统提高了定位精度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 室内定位的研究背景和意义

1．2 智能小车及其定位研究现状

1．2．1 室内移动机器人国内外研究现状

1．2．2 室内定位技术国内外研究现状

1．3 论文的主要内容研究

第2章 捷联惯导系统的基本原理及误差分析

2．1 引言

2．2 捷联惯导系统的基本原理

2．3 惯性导航常用坐标系及其相互变换

2．3．1 常用坐标系及定义

2．3．2 各坐标系之间的转变关系

2．3．3 姿态表征方法

2．4 捷联惯导的等效矢量与四元数

2．5 室内捷联惯导更新算法

2．5．1 捷联惯导迭代微分方程组

2．5．2 捷联惯导姿态更新算法

2．5．3 捷联惯导速度更新算法

2．5．4 捷联惯导位置更新算法

2．6 室内捷联惯导误差方程

第3章 智能小车及定位硬件系统主要设计

3．2．1 智能小车功能模块设计

3．2．2 定位系统设计

3．3 智能小车各模块及原理图设计

3．3．1 定位系统控制器

3．3．2 系统的电源模块

3．3．3 电机测速模块

3．3．4 惯性传感器模块(MEMS)

3．3．5 JTAG调试

3．4 本章小结

第4章 智能小车定位系统组合设计

4．1 智能小车的航迹推算系统

4．2 航迹推算系统的误差分析

4．3 组合定位系统研究

4．4 捷联惯导初始对准

4．4．1 捷联惯导的粗对准

4．4．2 系统的精对准

4．5 本章小结

第5章 智能小车软件设计及调试

5．1 软件设计

5．1．1 惯导系统解算程序

5．1．2 系统误差估计与补偿程序设计

5．2 智能小车定位系统调试分析及结果

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果