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原文传递基于车辆模型辅助的旋转微惯性自主导航技术

论文题名：	基于车辆模型辅助的旋转微惯性自主导航技术
关键词：	民用车辆;自主式导航系统;车辆模型辅助导航;MEMS旋转惯性导航
摘要：	MEMS-INS/GPS组合导航是目前民用车辆导航系统中广泛采用的导航方式，然而GPS具有多路径传输误差、信号易受建筑物遮挡等缺点，因此在GPS信号不可用时，需要依赖车辆的自主导航技术为车辆提供导航信息。尽管MEMS惯性器件具有可靠性高、体积小、成本低、功耗低等优点，但若没有GPS信息的辅助，MEMS惯导系统的误差会随着时间快速发散。因此，近年来，基于低成本MEMS惯性导航系统的车载无GPS自主导航技术逐渐成为导航技术领域的热点之一。　　为了提高车载MEMS惯导系统自主导航性能，本文从“改进MEMS惯导系统自身结构、算法”与“引入自主式导航系统进行辅助”两种思路出发，分别针对MEMS旋转惯性导航与车辆模型辅助导航两种自主式导航关键技术进行了研究，用以提高无GPS情况下的车辆导航精度以及导航信息可靠性。　　首先，传统惯导系统旋转调制通常需要高精度的转动和控制机构，而转动和控制机构体积大、成本高，削弱了MEMS惯导体积小、成本低的优势。针对该问题，本文结合车辆的特点，将车轮作为MEMS旋转惯导系统的转动机构实现旋转调制。基于此，设计了一种安装于车轮的MEMS惯性导航系统旋转调制方案，利用车轮的旋转，周期性的改变惯性器件相对于导航系的位置（即旋转调制技术），从而抑制一个周期内惯性器件误差对于整个系统导航精度的影响。该车载MEMS旋转惯导系统实现了车辆运动与旋转调制技术的有效结合。　　其次，考虑到自主导航的需求和特点，论文从信息挖掘的角度出发，对基于车辆模型辅助的一类自主导航新技术展开了研究。论文分析了车辆运动特性，利用车辆不完全约束条件以及运动方程，建立了车辆的运动学模型。然而，当车辆以中高速转弯时，车辆所受侧向力较大，运动学模型无法对车辆该特性进行精确描述。针对于此，从刚体动力学角度，建立了车辆的动力学模型。最后，在车辆不同运行情况下，对从运动学和动力学模型中提取的运动信息精度进行了仿真分析和对比，从理论上验证了模型辅助惯性自主导航技术的可行性。　　此外，为了提高基于车辆模型辅助的旋转微惯性组合导航系统的精度，针对运动学和动力学模型在车辆不同行驶情况下输出的导航参数精度不同的问题，设计了一种车辆模型/MEMS旋转惯性交互式多模型组合导航算法。在车辆不同运行条件下，选择不同的模型辅助MEMS旋转惯导系统，从而提高组合导航系统的精度。论文通过仿真验证了该算法的可行性和有效性。　　最后，为了对车辆模型/旋转微惯性自主导航方案的理论分析进行全面、直观的验证，论文建立了一套基于Carsim/Simulink软件的联合仿真验证平台。该平台可以实现对航迹发生器、车载MEMS旋转惯导、车辆运动学/动力学模型、车载传感器以及组合导航系统的模拟。同时，采用Matlab GUI软件进行用户界面的设计与搭建，以便实现算法的仿真与可视化显示。　　论文通过对MEMS旋转惯性导航方法及车辆模型辅助导航方法的研究，从“新装置设计、新信息挖掘”两个不同的渠道探讨了提高MEMS惯导系统精度和可靠性的新型技术，为自主导航性能的提高提供了较好的参考。
作者：	秦雅
专业：	导航、制导与控制
导师：	赖际舟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文