ch2-航位推算

第 2 章 航位推算 DR 定位技术 航位推算法 英语 Dead reckoning 简称 DR 是利用已知位置 结合移 动速度跟方位 来推算出现有位置的过程 传统上的航海 现代则的惯性导航 系统都应用航位推算法来找出位置 航位推算法的缺点是 因为新的位置是用之前的位置推导出来 在过程中 的误差值会被累加 因此它的错误率会随着时间而成长 2 1 航位推算定位的基本原理 DR Dead Reckoning DR 技术是利用速度传感器 里程表和航向传感器 电子罗盘或者陀螺 仪测量位移方向 从而推算车辆的位置 基本思想 基本思想 当车辆在二维平面空间行驶时 如果初始位置和先前的每步位 移均已知的话 在任何时刻的车辆位置都是可以计算的 2 2 航位推算系统的组成及其误差分析 1 航位推算 DR Dead Reckoning 一般由里程计和惯性测量单元 IMU 或电子罗盘组成 里程计用于测量车辆的行驶距离信息 IMU 或电子罗盘用于 测量车辆的速度或者方向信息 1 里程计 speedometer 如装在汽车上的 测量行程及速度的装置 2 惯性测量单元 IMU 英文 Inertial measurement unit 简称 IMU 是测量物体三轴姿态角 或角速率 以及加速度的装置 一般的 一个 IMU 包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺 加速度 计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号 而陀螺检测载体相对于导 航坐标系的角速度信号 测量物体在三维空间中的角速度和加速度 并以此解 算出物体的姿态 在导航中用着很重要的应用价值 为了提高可靠性 还可以为每个轴配备更多的传感器 一般而言 IMU 要安 装在被测物体的重心上 IMU 大多用在需要进行运动控制的设备 如汽车和机器人上 也被用在需 要用姿态进行精密位移推算的场合 如潜艇 飞机 导弹和航天器的惯性导航 设备等 背景技术背景技术 利用三轴地磁解耦和三轴加速度计 受外力加速度影响很大 在运动 振动 等环境中 输出方向角误差较大 此外地磁传感器有缺点 它的绝对参照物是地 磁场的磁力线 地磁的特点是使用范围大 但强度较低 约零点几高斯 非常容 易受到其它磁体的干扰 如果融合了 Z 轴陀螺仪的瞬时角度 就可以使系统数 据更加稳定 加速度测量的是重力方向 在无外力加速度的情况下 能准确输 出 ROLL PITCH 两轴姿态角度 并且此角度不会有累积误差 在更长的时间尺度 内都是准确的 但是加速度传感器测角度的缺点是加速度传感器实际上是用 MEMS 技术检测惯性力造成的微小形变 而惯性力与重力本质是一样的 所以加 速度计就不会区分重力加速度与外力加速度 当系统在三维空间做变速运动时 它的输出就不正确了 陀螺仪输出角速度 是瞬时量 角速度在姿态平衡上是不能直接使用 需 要角速度与时间积分计算角度 得到的角度变化量与初始角度相加 就得到目 标角度 其中积分时间 Dt 越小 输出角度越精确 但陀螺仪的原理决定了它的 测量基准是自身 并没有系统外的绝对参照物 加上 Dt 是不可能无限小 所以 积分的累积误差会随着时间流逝迅速增加 最终导致输出角度与实际不符 所 以陀螺仪只能工作在相对较短的时间尺度内 所以在没有其它参照物的基础上 要得到较为真实的姿态角 就要利用加 权算法扬长避短 结合两者的优点 摈弃其各自缺点 设计算法在短时间尺度内 增加陀螺仪的权值 在更长时间尺度内增加加速度权值 这样系统输出角度就 接近真实值了 惯性测量装置惯性测量装置 IMUIMU 的工作原理的工作原理 惯性测量装置 IMU 属于捷联式惯导 该系统有两个加速度传感器与三个速 度传感器 陀螺 组成 加速度计用来感受飞机相对于地垂线的加速度分量 速度传感器用来感受飞机的角度信息 该子部件主要有两个 A D 转换器 AD7716BS 与 64K 的 E EPROM 存储器 X25650 构成 A D 转换器采用 IMU 各传感器 的模拟变量 转换为数字信息后经过 CPU 计算后最后输出飞机俯仰角度 倾斜 角度与侧滑角度 E EPROM 存储器主要存储了 IMU 各传感器的线性曲线图与 IMU 各传感器的件号与序号 部品在刚开机时 图像处理单元读取 E EPROM 内的线 性曲线参数为后续角度计算提供初始信息 IMU 的具体实物见图 3 电子罗盘 电子罗盘 也叫数字指南针 是利用地磁场来定北极的一种方法 古代称 为罗经 现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力 的帮助 现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘 功能简介功能简介 电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘 平面电子罗盘要求用户在 使用时必须保持罗盘的水平 否则当罗盘发生倾斜时 也会给出航向的变化而 实际上航向并没有变化 虽然平面电子罗盘对使用时要求很高 但如果能保证 罗盘所附载体始终水平的话 平面罗盘是一种性价比很好的选择 三维电子罗 盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制 因为三维电子罗盘在其内部加入 了倾角传感器 如果电子罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿 这样即使 罗盘发生倾斜 航向数据依然准确无误 有时为了克服温度漂移 罗盘也可内 置温度补偿 最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移 原理原理 三维电子罗盘由三维磁阻传感器 双轴倾角传感器和 MCU 构成 三维磁阻传 感器用来测量地球磁场 倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿 MCU 处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁 硬铁补偿 该磁力仪是 采用三个互相垂直的磁阻传感器 每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁 场强度 向前的方向称为 x 方向的传感器检测地磁场在 x 方向的矢量值 向左 或 Y 方向的传感器检测地磁场在 Y 方向的矢量值 向下或 Z 方向的传感器检测 地磁场在 Z 方向的矢量值 每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地 磁场的分矢量调整到最佳点 并具有非常低的横轴灵敏度 传感器产生的模拟 输出信号进行放大后送入 MCU 进行处理 磁场测量范围为 2Gauss 通过采用 12 位 A D 转换器 磁力仪能够分辨出小于 1mGauss 的磁场变化量 我们便可通 过该高分辨力来准确测量出 200 300mGauss 的 X 和 Y 方向的磁场强度 不论是 在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置 仅用地磁场在 X 和 Y 的两个分矢量值便可确定方位值 Azimuth arcTan Y X 该关系式是在检测仪器与地表面平行时才成立 当仪器发生倾斜时 方位值的 准确性将要受到很大的影响 该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的 大小 为减少该误差的影响 采用双轴倾角传感器来测量俯仰和侧倾角 这个 俯仰角被定义为由前向后方向的角度变化 而侧倾角则为由左到右方向的角度 变化 电子罗盘将俯仰和侧倾角的数据经过转换计算 将磁力仪在三个轴向上 的矢量在原来的位置 拉 回到水平的位置 标准的转换计算式如下 Xr Xcos Ysin sin Zcos sin Yr Xcos Zsin 这里 Xr 和 Yr 为要转换到水平位置的值 为俯仰角 为侧倾角 从以上这三个计算公式可以看出 在整个补偿技术中 Z 轴向的矢量扮演一 个非常重要的角色 要正确运用这些值 俯仰和侧倾角的数字必须时刻更新 采用双轴宽线性量程范围 高分辨率 温漂系数低的陶瓷基体电解质传感器来 测量俯仰角和侧倾角 倾角数值经过电路板上的温度传感器补偿后得出的 特点特点 典型的数字罗盘具有以下特点 1 三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场 双轴倾角补偿 2 高速高精度 A D 转换 3 内置温度补偿 最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移 4 内置微处理器计算传感器与磁北夹角 5 具有简单有效的用户标校指令 6 具有指向零点修正功能 7 外壳结构防水 无磁 电子罗盘的原理是测量地球磁场 如果在使用的环 境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效的屏蔽时 那么电子罗盘的 使用就有很大的问题 这时只能考虑使用陀螺来测定航向了 2 航位推算系统是一种自主式 独立 导航系统 它完全依靠车载的设备 自主地完成导航任务 因此很少受