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高精度捷联惯导-原理详解

(2017-06-14 14:36:03)
标签:

捷联惯导

分类: 惯导知识资料库
高精度捷联惯性导航

惯导系统是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统,具有隐蔽性好,可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点,主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。
捷联惯导系统(SINS)是在平台式惯导系统基础上发展而来的,它是一种无框架系统,由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。陀螺和加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息,机载计算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度和位置。捷联惯导系统由于省去了复杂的机电平台,结构简单、体积小、重量轻、成本低、维护简单、可靠性高、还可以通过冗余技术提高其容错能力。

其中捷联惯导要对正在运行的载体进行误差补偿,在实际系统中为了降低捷联陀螺和加速度计的输出噪声对系统解算精度的影响,并且能够完全利用输出信息,陀螺和加速度计的输出全部采用增量形式,即加速度计输出为速度增量,陀螺输出为角增量(液浮陀螺或挠性陀螺及加速度计输出采用I-F或V-F转换成脉冲输出,激光陀螺本身就是脉冲输出)。在此情况下,姿态解算和导航解算只能通过求解差分方程来完成,而当运载体存在线振动和角振动,或运载体做机动运动时,在姿态解算中会存在圆锥误差,在速度解算中会存在划桨误差,在位置解算中会存在涡卷误差。在这些误差中,圆锥误差会对捷联惯导精度的影响最严重,划桨误差次之,涡卷误差最轻,在相应算法中需要作严格补偿。

其中捷联惯导的几种算法:
  
    四个概念:“地理”坐标系、“机体”坐标系
                            他们之间换算公式、换算公式用的系数。

  地理坐标系:东、北、天,以下简称地理。
       在这个坐标系里有重力永远是(0,0,1g),地磁永远是(0,1,x)(地磁的垂直不关心)两个三维向量。

  机体坐标系:上面有陀螺、加计、电子罗盘传感器,三个三维向量。

  换算公式:就是描述机体姿态的表达方法,一般都是用以地理为基准,从地理换算到机体的公式,有四元数、欧拉角、方向余弦矩阵。

  换算公式的系数:四元数的q0123、欧拉角的ROLL/PITCH/YAW、余弦矩阵的9个数。系数就是描述机体姿态的表达方法的具体数值。

  姿态,其实就是公式+系数的组合,一般经常用人容易理解的公式“欧拉角”表示,系数就是横滚xx度俯仰xx度航向xx度。

  五个数据源:重力、地磁、陀螺、加计、电子罗盘,前两个来自地理,后三个来自机体

  陀螺向量:基于机体,也在机体上积分,因为地理上无参考数据源,所以很独立,直接在公式的老系数上积分,得到新系数。

  狭义上的捷联惯导算法,就是指这个陀螺积分公式,也分为欧拉角、方向余弦矩阵、四元数,他们的积分算法有增量法、数值积分法(X阶龙格-库塔)等等

  加计向量、重力向量:加计基于机体,重力基于地理,重力向量(0,0,1g)用公式换算到机体,与机体的加计向量算出误差。理论上应该没有误差,这误差逆向思维一下,其实就是换算公式的系数误差。所以这误差可用于纠正公式的系数(横滚、俯仰),也就是姿态。

  电子罗盘向量、地磁向量:同上,只不过要砍掉地理上的垂直向量,因为无用。只留下地理水平面上的向量。误差可以用来纠正公式的系数(航向)。

  就这样,系数不停地被陀螺积分更新,也不停地被误差修正,它和公式所代表的姿态也在不断更新。

  如果积分和修正用四元数算法(因为运算量较少、无奇点误差),最后用欧拉角输出控制PID(因为角度比较直观),那就需要有个四元数系数到欧拉角系数的转换。常用的三种公式,它们之间都有转换算法。
  
      简单例子:

  机体好似一条船,地理就是那地图,姿态就是航向(船头在地图上的方位),重力和地磁是地图上的灯塔,陀螺/积分公式是舵手,加计和电子罗盘是瞭望手。

  舵手负责估计和把稳航向,他相信自己,本来船向北开的,就一定会一直往北开,觉得转了90度弯,那就会往东开。

  当然如果舵手很牛逼,也许能估计很准确,维持很长时间。不过只信任舵手,肯定会迷路,所以一般都有地图和瞭望手来观察误差。

  瞭望手根据地图灯塔方位和船的当前航向,算出灯塔理论上应该在船的X方位。然而看到实际灯塔在船的Y方位,那肯定船的当前航向有偏差了,偏差就是ERR=X-Y。

  舵手收到瞭望手给的ERR报告,觉得可靠,那就听个90%*ERR,觉得天气不好、地图误差大,那就听个10%*ERR,根据这个来纠正估算航向。。


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