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地图匹配辅助自主车载导航系统研究
| 论文题名： | 地图匹配辅助自主车载导航系统研究 |
| 关键词： | 自主车载导航系统;里程计;惯性导航;地图匹配;定位精度 |
| 摘要： | 自主导航系统指运动载体不依赖外部支持，仅利用自身携带的测量设备实时确定自身相对于某个坐标系的位置、速度、姿态，以引导航行的方法。针对捷联惯性导航系统误差不可避免地发散的问题，传统方法通过外部设备提供位置、速度、姿态信息以补偿误差发散，但牺牲了导航系统的自主性和可靠性；基于视觉的方法则受环境限制，在复杂环境下将导致系统缺少可跟踪的特征并出错。延长GPS拒止环境下的有效导航时间的、低成本、强鲁棒性的定位技术是决定车辆导航系统可靠性的关键之一。 本文提出一种低成本的陆地车辆自主导航方法，在全球导航卫星系统（GNSS）中断期间，融合里程计辅助惯性导航（INS/OD）系统与地图匹配（MM）系统，在系统受导航场景约束时可以实现相比传统自主定位技术更高的定位精度。 针对里程计辅助惯性导航系统模块，本文通过可观测性分析指出了INS/OD系统位置、速度误差漂移的本质原因，指出INS/OD系统导航发散的主要原因在于方向角差的可观测性，仿真实验中主要源于INS/OD系统Z轴陀螺仪零偏不可观。 针对地图匹配模块，本文通过无向图建模城市路网，仅依靠位置完成快速拓扑构建；设计预处理模块划分地图并简化保存元素，提高候选路段定位效率；设计发射概率和转移概率模型，实验中隐马尔可夫匹配算法实现高匹配成功率。 针对系统融合模块，本文采用扩展卡尔曼滤波实现导航误差的修正。设计匹配触发模型实现对待匹配路段的自动划分，并通过预处理系统快速确定匹配点坐标和航向观测；设计观测模型，基于罗德里格公式提供姿态角误差、姿态角、失准角的误差关系式，融合系统显著增加了系统可观测状态，解决航向快速发散的问题。 本文提出的融合方法不引入额外设备，并提供相比于传统自主定位技术更高的定位精度。主要贡献在于通过可观测性分析指出INS/OD系统位置、速度误差漂移的本质原因，提出一种基于EKF的MEMS INS/OD/MM混合策略，通过地图提供的位置和航向修正量抑制了发散。本文首次实现没有外部信息的条件下惯性导航系统与地图匹配系统的集成，并通过道路实验验证了所提出的导航策略。实验结果表明，200s GNSS中断时间内，提出的导航策略航向角误差均方根值减小93.2%，水平速度误差均方根值减小92.6%，水平位置误差均方根值减小95.5%。 |
| 作者： | 甘旭东 |
| 专业： | 航空宇航科学与技术 |
| 导师： | 杜爽 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 电子科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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