专利名称：低成本无人车导航方法
技术领域：
本发明涉及的是一种导航方法。具体地说是一种利用微惯性捷联测量系统 (MSINS)和只输出位置信息的GPS构成的、用于无人车的组合导航系统。
背景技术：
MSINS采用微型惯性测量组件——微机械陀螺和加速度计作为其惯性测量单元， 因此，其具有成本低、体积小、高可靠、抗振动、抗冲击的优点，但是由于微机械陀螺的零位误差较其他类型陀螺零位误差要大，所以不宜单独使用，需要利用外传感器辅助。由于无人车的导航要求——只需要提供位置、速度信息，而且要求低成本，所以采用GPS/MSINS组合导航系统为无人车进行导航定位，其中，GPS只需要位置输出(保证低成本性)，这样，就可以利用GPS的位置信息作为辅助信息，校正MSINS的系统参数，抑制由较大的陀螺零位误差引起的捷联解算误差积累。但是，考虑到无人车可能会在丛林、隧道、峡谷等环境中使用，导致GPS信号因遮挡而失效，MSINS单独工作，误差会迅速积累，所以在GPS信号失效时利用自速度校正技术辅助MSINS。所谓自速度校正，指行驶中的车辆，载体系上χ轴、ζ轴速度在理论上应为零，但由于捷联解算误差的存在，导致实际解算的载体系上两轴速度不为零，则可以根据存在的速度差作为外部辅助信息估测捷联测量系统的系统参数。在CNKI中关于无人车导航技术的相关文章主要有5篇，分别是《GPS/INS组合车辆导航系统的两种卡尔曼滤波结构》，主要研究GPS/INS车载组合导航系统中分散滤波结构和联合滤波结构两种滤波结构的比较，没有考虑GPS信号失效的问题。《GPS组合导航系统在车辆导航中的应用》，主要研究GPS/航位推算/地图匹配车载组合导航系统。《惯导/里程仪组合导航系统算法研究》，主要研究利用低精度惯导和里程仪组合为车辆导航，及如何利用惯导为里程仪进行误差修正来提高导航定位精度。《基于平方根UKF的车辆组合导航》，主要研究利用GPS和航位推算系统进行组合为车辆导航，其中使用的滤波算法是UKF滤波算法。《GPS/DR组合导航系统在车辆连续定位中的研究》，主要研究利用压电陀螺、里程仪和GPS组合为车辆导航。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能保证无人车导航定位的精度、连续性、可靠性和低成本性的低成本无人车导航方法。本发明的目的是这样实现的将GPS及微惯性捷联测量系统安装于无人车上构成无人车导航系统，在GPS信号可用时，GPS输出的位置信息作为无人车导航系统的位置输出，利用GPS输出的位置信息作为外部辅助信息，估测微惯性捷联测量系统的速度误差，用估测量校正微惯性捷联测量系统的速度输出后作为无人车导航系统的速度输出；在GPS信号不可用时，利用自速度校正技术提供外部辅助信息，估测微惯性捷联测量系统的速度误差和位置误差、包括纬度误差和经度误差，用估测量校正微惯性捷联测量系统的速度输出和位置输出后作为无人车导航系统的速度输出和位置输出。考虑到无人车的导航定位信息需求量少——只需要速度、位置信息，而且要求低成本，利用GPS/MSINS组合导航系统为无人车进行导航定位。GPS接收机只需要输出位置信息来辅助MSINS，当GPS信号失效时，采用自速度校正技术替代GPS的辅助作用，约束微惯性捷联测量系统的误差积累，保证了无人车导航定位的精度、连续性、可靠性和低成本性。本发明技术具有以下优点低成本的MSINS和只需要输出位置信息的GPS组合，为无人车进行导航定位。当GPS信号失效时，不需要增加额外的传感器，利用自速度校正技术辅助MSINS继续工作，从而保证了无人车在任何环境下都可以连续不断地提供高精度的位置、速度信息，同时保证了系统的低成本性。对本发明的有益效果说明还包括户外车载试验的试验结果试验条件(1)无人车导航系统中主要器件参数如下微机械陀螺仪的零偏稳定性0. 7度/秒加速度计的零偏稳定性0. 01g(g为重力加速度)GPS单点定位精度1. 8米GPS数据更新率1赫兹(2)试验车在试验场地中绕圈行驶，行驶速度在5米/秒左右，在试验车直线行驶和拐弯过程中，两次人为屏蔽GPS信号30秒，分别记录没有自速度校正技术辅助下的导航定位结果和在自速度校正技术辅助下的导航定位结果。实验所得结果证明在没有自速度校正技术辅助下，GPS信号失效30秒时，捷联解算的位置轨迹呈发散状，东向位置误差最大达到145米(|实测值-真实值|)，北向位置误差最大达到205米(I实测值-真实值I)；在自速度校正技术辅助下，捷联解算的位置轨迹能够跟踪上试验车真实的运动轨迹，东向位置误差最大达到2. 5米(I实测值-真实值|)， 北向位置误差最大达到3米(I实测值-真实值I)，满足无人车导航定位的精度要求。
图 1.图 2. 30 秒)；图 3. 30 秒)；图 4. 30 秒)；图 5.图 6. 30 秒)；
无人车导航系统工作流程没有自速度校正技术辅助的载体运行轨迹(直线运动过程中GPS信号中断没有自速度校正技术辅助的载体运行轨迹(拐弯运动过程中GPS信号中断在自速度校正技术辅助下的载体运行轨迹(直线运动过程中GPS信号中断图4的局部放大在自速度校正技术辅助下的载体运行轨迹(拐弯运动过程中GPS信号中断
图7.图6的局部放大图。
具体实施例方式下面举例对本发明做更详细的描述步骤1、将GPS及微惯性捷联测量系统固定安装于无人车，并利用数据传输电缆将 GPS及微惯性捷联测量系统相连通；步骤2、GPS输出位置信息，并将此位置信息作为初始位置信息手工装订至微惯性捷联测量系统的导航计算机，所述的初始位置信息包括初始的经度、纬度；步骤3、微惯性捷联测量系统进行预热和初始对准；步骤4、微惯性捷联测量系统进入导航工作状态，利用加速度计输出fb和陀螺输出 4实时测量捷联姿态矩阵T，实时测量沿地理坐标系东向、北向和天向的速度F/,F/,F/，实时测量位置信息，即经度、纬度λ e，Le ；由捷联姿态矩阵T和沿地理坐标系的速度测量沿载体坐标系的速度G，实
时测量得到
权利要求
1.一种低成本无人车导航方法，其特征是将GPS及微惯性捷联测量系统安装于无人车上构成无人车导航系统，在GPS信号可用时，GPS输出的位置信息作为无人车导航系统的位置输出，利用GPS输出的位置信息作为外部辅助信息，估测微惯性捷联测量系统的速度误差，用估测量校正微惯性捷联测量系统的速度输出后作为无人车导航系统的速度输出； 在GPS信号不可用时，利用自速度校正技术提供外部辅助信息，估测微惯性捷联测量系统的速度误差和位置误差、包括纬度误差和经度误差，用估测量校正微惯性捷联测量系统的速度输出和位置输出后作为无人车导航系统的速度输出和位置输出。
2.根据权利要求1所述的低成本无人车导航方法，其特征是具体步骤为步骤1、将GPS及微惯性捷联测量系统固定安装于无人车，并利用数据传输电缆将GPS 及微惯性捷联测量系统相连通；步骤2、GPS输出位置信息，并将位置信息作为初始位置信息装订至微惯性捷联测量系统的导航计算机，所述的初始位置信息包括初始的经度、纬度； 步骤3、微惯性捷联测量系统进行预热和初始对准；步骤4、微惯性捷联测量系统进入导航工作状态，利用加速度计输出fb和陀螺输出4实时测量捷联姿态矩阵T，实时测量沿地理坐标系东向、北向和天向的速度C,F/,F/，实时测量位置信息，即经度、纬度由捷联姿态矩阵T和沿地理坐标系的速度测量沿载体坐标系的速度G，实时测量得到
3.根据权利要求2所述的低成本无人车导航方法，其特征是步骤7中的Kalmanl滤波器中，系统方程和量测方程如下
4.根据权利要求2所述的低成本无人车导航方法，其特征是步骤9中的Kalman2滤波器中，系统方程和
全文摘要
本发明提供的是一种低成本无人车导航方法。将GPS及微惯性捷联测量系统安装于无人车上构成无人车导航系统，在GPS信号可用时，GPS输出的位置信息作为无人车导航系统的位置输出，利用GPS输出的位置信息作为外部辅助信息，估测微惯性捷联测量系统的速度误差，用估测量校正微惯性捷联测量系统的速度输出后作为无人车导航系统的速度输出；在GPS信号不可用时，利用自速度校正技术提供外部辅助信息，估测微惯性捷联测量系统的速度误差和位置误差，用估测量校正微惯性捷联测量系统的速度输出和位置输出后作为无人车导航系统的速度输出和位置输出。本发明的无人车进行导航定位方法能保证无人车导航定位的精度、连续性、可靠性和低成本性。
文档编号G01C21/34GK102183260SQ20111006749
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月21日 优先权日2011年3月21日
发明者于飞, 奔粤阳, 孙枫, 李倩, 高伟 申请人:哈尔滨工程大学