基于動態約束方法和磁力計的汽車慣性導航系統

基于動態約束方法和磁力計的汽車慣性導航系統

慣性導航系統(INS)被用來提供獨立的導航解決方案,包括位置、速度和狀態信息。幾乎所有的自動化應用系統都采用INS作為基礎導航系統。該系統可以不利用額外數據進行狀態估計，但是隨著運行時間的增加，估計精度會大幅度降低。因此，提出了一種利用磁力計和動態約束方法來提高汽車INS的導航性能。該方法除了使用慣性傳感器和磁力計之外，無需其它硬件設施。

推導出了慣性導航方程和計算磁偏角的方程，用于后續慣性傳感器和磁力計的解算。為了減小INS自身的誤差、速度和狀態方程的聯系，研究了車輛的運動學約束，即非完整性約束（NHCs）。研究NHCs的前提是假設車輛不發生垂直跳動或者側滑。經計算，該地面車輛的運動需要有兩個NHCs控制。實際上，盡管發動機和懸架的振動或轉向導致的質心側偏角增加偶爾超出其應用范圍，這些約束對于一般車輛的運行工況還是適用的。采用NHCs的研究方法可以提高車速的估計精度，同時也能提高位置估計精度。然而，由于不能利用額外的信息，因此導致采用此方法只能獲得一個相對的導航解決方案，而且該方法易受橫擺角速度估計偏差的影響。詳細介紹了估計濾波器的結構，以用來開發帶有慣性測量單元（IMU）和磁力計的導航算法。該濾波器采用經典的卡爾曼濾波算法。由于卡爾曼濾波需要預測和更新兩個關鍵環節，因此建立了用于預測環節的線性系統模型和用于更新環節的觀測模型。

利用實車對所開發的導航算法進行測試，并對測試結果進行分析。結果表明，集成NHCs的導航系統可以大幅度減少位置和速度偏差，集成磁力計可以減少狀態偏差。與未集成NHCs的導航系統相比，車輛側傾和俯仰偏差值減少了將近50%。

Daehee Won et al.Hindawi Publishing Corporation Journal of Sensors Volume 2015, Article ID 435062,11 pages.

編譯：韓小健