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1、-范文最新推荐-1 / 21MEMS 惯性 GPS 信息融合技术的个人导航定位方法为解决 GPS/MEMS 惯性组合导航系统在 GPS 长时间失效时导航精度下降这一问题，论文在组合导航的基础上，采用了零速修正，并结合磁传感器提供的航向角信息，然后使用卡尔曼滤波在静止期间估计姿态角、速度及位置误差，并以反馈校正的方式进行修正，以提高导航精度。最后通过两组半物理仿真试验验证了导航算法的有效性和可行性。论文根据人体行走时脚步周期性运动的加速度统计特性与角速率幅值，设计了一种幅值/滑动方差检测方法，用以检测步态相位中的站定位（即静止时间段）。此外，采用磁传感器信号提高航向角精度，并将GPS 信号与惯性
2、测量单元信号差值作为卡尔曼滤波的量测值，据此递推状态估值，并进行反馈校正。6606关键字个人导航系统零速修正 GPS/MEMS 惯性组合导航毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleA Personal Navigation System Based On MEMS IMU/GPSInformation Fusion TechnologyAbstractIn order to solve the problem that the accuracy of GPS/MEMS integrated navigation decreases in the absence of GPS, this art
3、icle ,on the basis of the integrated navigation ,uses the zero-speed correction ,combined with the magnetic sensors to provide heading information .And then estimate the error of attitude angle ,velocity and position through the Kalman filter in the stationary .In addition ,a feedback correction is
4、used to modify ,in order to improve the navigation accuracy .Finally ,two sets of semi-physical simulation tests verify the effectiveness and feasibility of the navigation algorithm. -范文最新推荐-3 / 212.3.GPS 失效条件下的导航方法 232.3.1.步态相位检测 242.3.2.零速修正中的卡尔曼滤波 252.4.本章小结 263.个人导航算法的软件设计 273.1.个人导航主程序设计 273.2.
5、初始对准的程序设计 273.2.1.初始姿态粗对准的程序设计 283.2.2.精对准的程序设计 28 3.3.捷联惯性导航算法的程序设计 293.3.1.姿态解算的程序设计 303.3.2.速度与位置解算的程序设计 313.4.零速修正的程序设计 323.4.1.步态相位检测 323.4.2.卡尔曼滤波 333.5.本章小结 344.软件调试及导航性能分析 354.1.惯性测量单元的简介及性能分析 354.2.GPS 失效下导航方法的调试及性能分析 364.2.1.步态相位检测的调试 36-范文最新推荐-5 / 214.2.2.初始对准中的卡尔曼滤波性能 404.2.3.GPS 失效下导航方法
6、的调试及性能分析 424.3.与 GPS 导航性能的对比分析 434.4.本章小结 45结论 46致谢 47 由上述可见，单一传感器提供的信息很难满足目标跟踪或状态估计的精度要求，采用多个传感器进行组合导航，并将多类信息按照某种最优融合准则进行最优融合，可以提高目标跟踪或状态估计的精度 。个人导航系统必须实现在 GPS 信号屏蔽或严重削弱的条件下仍然能够正常运转操作。为了保证个人导航定位的连续性以及在室内的定位，采用 GPS 和其他类型的导航传感器（如惯性测量单元 IMU）组合是极其必要的。GPS/MEMS 惯性组合导航可发现并校标惯性导航系统误差，提高导航精度；弥补卫星导航的信号缺损问题，提
7、高导航能力；提高卫星导航接收机对卫星信号的捕获能力，提高整体导航效率；提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性 。1.2.个人导航的国内外研究现状1.2.3.论文研究的意义本设计为基于 MEMS 惯性/GPS 信息融合技术的个人导航定位方法。在 GPS 信号可用的条件下，采用GPS 信号与惯性测量单元进行组合导航，校标惯性导航系统的误差并提高导航精度；在 GPS 信号较长时间屏蔽或严重削弱的情况下，以惯性导航系统为主，并辅以基于卡尔曼滤波技术的零速修正方法结合磁传感器信号进行修正，提高导航能力和抗干扰能力，保证导航的完整性，具有较强的环境适应性，提高了在城市中导航定位的精度和可靠性，具有更大的消费
8、使用价值，可应用于日常生活的出行、交通、商务等方-范文最新推荐-7 / 21面。此外，在军事等特殊领域，可以广泛应用于丛林作战、山区作战及沙漠作战等条件下，也可用于军事中的飞行指挥与定位。1.3.本论文研究内容本论文采用 GPS/MEMS 惯性组合导航的方法，结合地磁信号进行多种导航系统的信息融合，并采用基于卡尔曼滤波技术的零速修正方法，得到导航参数的最优估计。研究及验证重点为 GPS 信号较长时间失效的条件下的个人导航。首先论述这种个人导航方式的基础，即捷联惯性导航系统与 GPS/MEMS 惯性组合导航系统的基本原理，介绍零速修正及卡尔曼滤波技术的相关基础理论，并对初始对准进行简要解析。其次
9、，基于上述理论方法，在 MATLAB 平台下进行初始对准、捷联解算及零速修正等算法的软件编写，并进行实验确定相应的参数设置。然后，设计试验进行半物理仿真验证该导航方法的可行性及性能指标，将 GPS 导航与本文所设计的个人导航方法进行对比。最后，对本设计进行总结，针对本设计中的不足之处，提出改进方案与展望。 2.基于 GPS/MEMS 惯性及地磁的个人导航系统本文研究的是基于足部的 MEMS 惯性/GPS 信息融合的个人导航定位方法，其工作原理为：在 GPS 信号可用的条件下，采用 GPS/MEMS 惯性单元组合导航的方式，其组合方式为位置、速度信息松组合；在GPS 信号受屏蔽或严重受损的情况下
10、，以捷联惯性导航为主提供导航信息，通过步态相位检测触发基于卡尔曼滤波的零速修正，并结合磁传感器信号对姿态角、速度及位置进行修正。2.1.捷联惯性导航的基本原理惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用一组加速度计连续地测量运动载体相对于某一选定的导航平台（人工建立的物理平台或计算机模拟的平台）确定的坐标系的加速度信息，通过一次积分运-范文最新推荐-9 / 21算（载体初速度已知）得到载体相对选定平台的导航坐标系的即时速度信息，再通过一次积分运算（载体初始位置已知）得到载体相对选定的导航坐标系的即时位置信息 。惯性导航系统的组成包括加速度计、导航平台和导航计算机。其中加速度计用于测量载体
11、运动的加速度；导航平台为计算机模拟的数学平台，功能为利用陀螺仪模拟和跟踪导航坐标系，把加速度计的输出转换到导航坐标系，并用模拟或计算的方法给出载体的姿态和方位信息；导航计算机则用于完成导航解算 。捷联惯性导航解算主要包括姿态矩阵的解算（即数学平台的解算）和导航解算（包括位置与速度的解算）两部分 。在导航坐标系选取东北天指向的地理坐标系的情况下，水平指北捷联惯性导航系统的算法流程如图 2.1 所示。图 2.1 捷联惯性导航系统的算法流程2.1.1.捷联惯性导航的初始对准 使用粗对准后的姿态角计算初始速度。由已知的航向角 ，俯仰角 ，横滚角 和相对载体系的初始速度 ，根据公式：= （2.9）计算得
12、到由导航系到载体系的姿态转换矩阵，再根据（2.10）即可计算得到相对导航系的初始速度 。实际设计中，用于陀螺仪的精度较低，使用磁传感器的信号通过投影求反三角函数对航向角进行解算。2.精对准-范文最新推荐-11 / 21首先将粗对准后所得姿态角、速度及初始位置信息代入精对准中进行姿态解算、比力方程求解地理速度及位置解算，并读入加速度计及陀螺仪信号。然后卡尔曼滤波进行修正，以速度误差建立观测方程。若 GPS 信号可用，以惯性测量单元的速度输出与GPS 速度输出之差作为速度误差；若 GPS 信号不可用，由于精对准时，理论速度应为 0，即以惯性测量单元的速度与理论速度之差作为观测量。建立速度误差的观测
13、方程后，估计累积速度、位置误差，并在精对准之后强制校正。由速度误差建立观测方程估计出数学平台误差角，由数学平台误差角进行计算实现对姿态角的校正。捷联惯性导航系统中常用的坐标系有导航系 n、机体系 b 和计算系 c，三个坐标系之间的相互关系为：（2.11） 在数学平台误差角为小量的条件下，近似表达式为：（2.12）其中， 是捷联惯性导航系统的数学平台误差角，且 四元数提供了从一个坐标系到另一个坐标系的数学关系。将普通的 3 维空间矢量扩展为 4 维，如地理坐标系 3 维矢量 和载体坐标系的 3 维矢量 可表示为：（2.18）经推导后即可得到四元数与方向余弦矩阵的关系为：（2.19）其中 ， 和 分别为航向角、俯仰角和横滚角，从-范文最新推荐-13 / 21导航系到载体系的姿态转换矩阵为：（2.20）四元数矩阵为：=（2.21）由地理系到载体系的变换四元数为：（2.22）由上一时刻的姿态角信息（横滚角、俯仰角、航向角）计算出 和 。然后由陀螺仪的输出 求出 ，公式为：（2.23）再由四元数运动学微分方程求解，即设 矢量为四元数形式，表示载体坐标系相对地理坐标系的角速度在载体坐标系的投影，其与
