激光标靶与捷联惯性导航系统组合位姿测量关键技术研究

摘要

精密工程的不断发展与创新，对位姿测量系统提出了更高的要求。激光标靶位姿测量系统作为当前隧道工程中的主要导向系统，具有诸多优点，且已广泛应用于许多隧道掘进工程。但是，目前激光标靶所采用的位姿测量方法仍面临动态性能较差的问题，主要体现在鲁棒性差和测量频率低两方面。鲁棒性差带来的问题是测量失效，导致工程的失败。因此，提高激光标靶位姿测量系统的鲁棒性是亟待解决的问题。此外，激光标靶位姿测量系统作为单点合作目标测量方案，具有较强的通用性，若能提高测量频率，应用领域便可以大大增加。所以，本文将捷联惯性导航系统的高测量频率和良好的鲁棒性同激光标靶测量精密度高等优点组合起来，实现优势互补。并研究了如何实现系统组合以及滤波器的关键设计，本文的主要工作如下： 1.介绍并分析了当前位姿测量、盾构位姿测量和传感器融合的现状，从原理上分析了激光标靶鲁棒性差、动态性能不强等测量缺陷，根据当前国内外研究现状，明确了本文的研究方向和目标。 2.介绍了组合位姿测量的系统组成，讨论了 SINS 的位姿测量方法，设计了时间同步系统。对本文采用的 IMU进行了阿伦方差分析与随机误差量化，并建立了IMU输出模型。研究了一种基于精密三轴转台的IMU外参标定及组合系统内参标定的一体式标定方法。 3.推导了组合系统的误差方程，并建立了基于激光标靶和捷联惯导的卡尔曼滤波基本方程。对建立的卡尔曼滤波模型加入容错设计，可以使得当量测系统故障或失效时，另一系统单一工作，从而在一定程度上保证了系统的鲁棒性。 4.通过 MATLAB 对组合系统中卡尔曼滤波模型建立、组合系统鲁棒性以及故障检测的灵敏性等三个方面进行了仿真验证。借助机械臂、振动台、精密直线导轨等仪器对组合系统的性能进行了实验验证。

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