基于車載的GPS/INS組合導航定位系統(tǒng)的關鍵技術研究
發(fā)布時間：2022-02-13 15:57
目前,導航系統(tǒng)已經從單一傳感器類型系統(tǒng)發(fā)展到組合導航系統(tǒng),將多種類型的傳感器進行優(yōu)化配置、性能互補,使得系統(tǒng)的精度和可靠性都有了很大的提高。以慣性導航系統(tǒng)（INS）和全球定位導航系統(tǒng)（GPS）構造的組合導航系統(tǒng)是最主要的組合方式,其信息融合技術成為導航研究的熱點。本文完成了一套車載GPS/INS組合導航系統(tǒng)的設計,包括基于嵌入式PC104總線結構的計算機平臺、導航算法以及相關的測試驗證實驗。其中,所設計的嵌入式組合導航系統(tǒng)平臺具有智能多串口通訊功能和外部傳感器數(shù)據(jù)采集智能時間同步功能；針對車載導航的應用背景,所設計組合導航系統(tǒng)的信息融合算法實現(xiàn)了車載無縫導航的持續(xù)工作能力。本論文研究工作如下：1.對車載GPS/INS組合導航系統(tǒng)的總體設計進行了研究,包括系統(tǒng)的組合方案、硬件設計方案與軟件設計方案。2.設計了基于PC104體系架構的組合導航系統(tǒng)平臺,該計算機平臺具有對多種外部傳感器的廣泛兼容性、以及進一步組合更多功能性傳感器的擴展應用能力。研制了具有主從式CPU結構的智能多串口通訊模塊,實現(xiàn)了外部導航器件與導航計算機的智能高速雙工通訊功能；設計了軟硬件結合的多傳感器數(shù)據(jù)采集智能時間同步方...
【文章來源】：東南大學江蘇省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：130 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
專用術語注釋表
第一章 緒論
1.1 全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)
1.1.1 GPS全球定位導航系統(tǒng)發(fā)展史
1.1.2 GPS系統(tǒng)的組成
1.1.3 國內外衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2 慣性導航系統(tǒng)
1.2.1 慣性測量器件與捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)
1.2.2 基于微電子機械系統(tǒng)技術的慣性測量器件
1.3 GPS/INS組合導航系統(tǒng)
1.3.1 GPS/INS組合導航系統(tǒng)國內外發(fā)展概況
1.3.2 GPS/INS組合導航系統(tǒng)發(fā)展趨勢
1.4 本文的研究背景與內容
第二章 組合導航系統(tǒng)的總體設計
2.1 研究目的
2.2 組合導航系統(tǒng)的總體設計方案
2.3 嵌入式組合導航系統(tǒng)硬件平臺的總體設計
2.3.1 嵌入式PC104總線
2.3.2 A/D采樣模塊
2.3.3 智能多串口通訊模塊
2.4 嵌入式組合導航系統(tǒng)軟件平臺的總體設計
2.4.1 初始對準模塊
2.4.2 GPS數(shù)據(jù)處理模塊
2.4.3 組合導航信息融合模塊
2.5 人工智能技術
2.5.1 神經網絡技術
2.5.2 機器學習的基本問題
2.5.3 統(tǒng)計學習理論的核心內容
2.5.4 支持向量機技術
2.6 組合導航系統(tǒng)總體方案及系統(tǒng)組成框圖
2.7 小結
第三章 基于嵌入式PC104總線的智能多串口通訊模塊的研制
3.1 智能多串口通訊模塊的設計方案
3.2 智能多串口通訊模塊的硬件電路設計
3.2.1 四串口芯片16C554
3.2.2 雙口RAM芯片IDT7130
3.2.3 CPLD芯片MAX7128SC
3.2.4 多中斷源的擴展設計
3.3 智能多串口通訊模塊的軟件設計
3.3.1 通訊協(xié)議的設計
3.3.2 通訊模塊軟件的設計與實現(xiàn)
3.4 性能測試實驗
3.5 小結
第四章 多傳感器數(shù)據(jù)采集的智能時間同步設計與實現(xiàn)
4.1 多傳感器數(shù)據(jù)采集智能時間同步的研究背景
4.2 多傳感器數(shù)據(jù)采集智能時間同步的設計方案
4.3 A/D采樣模塊
4.3.1 A/D轉換硬件電路
4.3.2 I/O地址映像定義
4.3.3 初始化及模式設置
4.4 多傳感器數(shù)據(jù)采集時間同步的硬件設計
4.5 多傳感器數(shù)據(jù)采集時間同步的軟件設計
4.6 多傳感器數(shù)據(jù)采集時間同步的測試
4.6.1 PPS信號穩(wěn)定性和采樣時鐘的精確度統(tǒng)一測試
4.6.2 慣性器件特定工作模式下時間同步精度驗證
4.6.3 對比實驗
4.7 小結
第五章 基于車載的GPS/INS組合導航定位系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設計
5.1 組合導航系統(tǒng)的軟件設計
5.2 人機交互的設計
5.3 基于 PC104總線模塊的驅動實現(xiàn)
5.3.1 板卡的地址譯碼和中斷選擇
5.3.2 板卡驅動實現(xiàn)
5.4 信息流程驗證
5.5 小結
第六章 GPS/INS組合導航系統(tǒng)算法研究
6.1 GPS/INS組合導航系統(tǒng)的組合方案
6.2 慣性導航系統(tǒng)的數(shù)學模型
6.2.1 常用坐標系
6.2.2 常用坐標系之間的相互關系
6.2.3 IMU輸出信號的誤差模型
6.2.4 地固系下的力學編排
6.3 組合導航系統(tǒng)的傳統(tǒng)卡爾曼濾波技術研究
6.3.1 傳統(tǒng)卡爾曼濾波技術
6.3.2 數(shù)字仿真及結果分析
6.3.3 車載實驗及結果分析
6.4 組合導航系統(tǒng)的自適應卡爾曼濾波技術研究
6.4.1 自適應卡爾曼濾波技術
6.4.2 車載實驗及結果分析
6.5 軌跡判別算法輔助的自適應卡爾曼濾波設計
6.5.1 軌跡判別算法
6.5.2 半物理仿真實驗及結果分析
6.6 小結
第七章 人工智能技術輔助的組合導航系統(tǒng)算法設計
7.1 LS-SVM
7.2 LS-SVM的接口設計
7.3 LS-SVM輔助GPS/INS組合導航系統(tǒng)的信息融合算法設計
7.3.1 LS-SVM/AKF輔助GPS/INS組合導航系統(tǒng)的算法結構設計
7.3.2 LS-SVM輔助GPS/INS組合導航系統(tǒng)的算法結構設計
7.4 半物理仿真實驗及結果分析
7.5 跑車實驗及結果分析
7.6 小結
總結
論文主要創(chuàng)新性成果
致謝
參考文獻
作者簡介
攻讀博士期間發(fā)表論文與研究成果
【參考文獻】：
期刊論文
[1]神經網絡輔助卡爾曼濾波在組合導航中的應用[J]. 崔留爭,高思遠,賈宏光,儲海榮,姜瑞凱. 光學精密工程. 2014(05)
[2]IMU角變速運動對旋轉式SINS定位精度影響分析[J]. 劉適,王世安,劉興章,張義,楊祥龍. 彈箭與制導學報. 2014(04)
[3]從北斗一號到北斗二號[J]. 王飛雪. 國土資源導刊. 2014(04)
[4]艦載小型化SINS/GNSS緊組合導航系統(tǒng)設計[J]. 閆捷,徐曉蘇,張濤,劉義亭,吳亮. 中國慣性技術學報. 2013(06)
[5]光纖陀螺旋轉捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的發(fā)展與應用[J]. 孫偉,孫楓,劉繁明. 傳感器與微系統(tǒng). 2012(11)
[6]多功能捷聯(lián)慣性導航仿真平臺軟件的設計及實現(xiàn)[J]. 董良,曾慶化,鄧孝逸,李炎. 航空計算技術. 2012(06)
[7]低成本車載導航儀的組合導航算法設計[J]. 袁贛南,梁海波,何昆鵬,王文. 中國慣性技術學報. 2011(01)
[8]一種多輸出支持向量機的增量學習算法[J]. 趙耀紅,鐘萍,王來生. 計算機應用與軟件. 2010(06)
[9]光纖陀螺技術及其發(fā)展應用[J]. 蔡明. 航空科學技術. 2009(04)
[10]光纖陀螺隨機誤差建模的實驗研究(英文)[J]. 方靖,尚捷,顧啟泰. 傳感技術學報. 2008(09)
博士論文
[1]基于光纖陀螺的尋北系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 段苛苛.北京交通大學 2014
[2]GPS/DR車載組合定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合算法研究[D]. 鄭貴省.天津大學 2005
[3]MIMU及其與GPS組合系統(tǒng)設計與實驗研究[D]. 尚捷.清華大學 2005
[4]捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 楊艷娟.哈爾濱工程大學 2001
碩士論文
[1]支持向量機與卡爾曼濾波算法在組合導航中的應用研究[D]. 陳磊琛.中國地質大學 2010
本文編號：3623484
【文章來源】：東南大學江蘇省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：130 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
專用術語注釋表
第一章 緒論
1.1 全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)
1.1.1 GPS全球定位導航系統(tǒng)發(fā)展史
1.1.2 GPS系統(tǒng)的組成
1.1.3 國內外衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2 慣性導航系統(tǒng)
1.2.1 慣性測量器件與捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)
1.2.2 基于微電子機械系統(tǒng)技術的慣性測量器件
1.3 GPS/INS組合導航系統(tǒng)
1.3.1 GPS/INS組合導航系統(tǒng)國內外發(fā)展概況
1.3.2 GPS/INS組合導航系統(tǒng)發(fā)展趨勢
1.4 本文的研究背景與內容
第二章 組合導航系統(tǒng)的總體設計
2.1 研究目的
2.2 組合導航系統(tǒng)的總體設計方案
2.3 嵌入式組合導航系統(tǒng)硬件平臺的總體設計
2.3.1 嵌入式PC104總線
2.3.2 A/D采樣模塊
2.3.3 智能多串口通訊模塊
2.4 嵌入式組合導航系統(tǒng)軟件平臺的總體設計
2.4.1 初始對準模塊
2.4.2 GPS數(shù)據(jù)處理模塊
2.4.3 組合導航信息融合模塊
2.5 人工智能技術
2.5.1 神經網絡技術
2.5.2 機器學習的基本問題
2.5.3 統(tǒng)計學習理論的核心內容
2.5.4 支持向量機技術
2.6 組合導航系統(tǒng)總體方案及系統(tǒng)組成框圖
2.7 小結
第三章 基于嵌入式PC104總線的智能多串口通訊模塊的研制
3.1 智能多串口通訊模塊的設計方案
3.2 智能多串口通訊模塊的硬件電路設計
3.2.1 四串口芯片16C554
3.2.2 雙口RAM芯片IDT7130
3.2.3 CPLD芯片MAX7128SC
3.2.4 多中斷源的擴展設計
3.3 智能多串口通訊模塊的軟件設計
3.3.1 通訊協(xié)議的設計
3.3.2 通訊模塊軟件的設計與實現(xiàn)
3.4 性能測試實驗
3.5 小結
第四章 多傳感器數(shù)據(jù)采集的智能時間同步設計與實現(xiàn)
4.1 多傳感器數(shù)據(jù)采集智能時間同步的研究背景
4.2 多傳感器數(shù)據(jù)采集智能時間同步的設計方案
4.3 A/D采樣模塊
4.3.1 A/D轉換硬件電路
4.3.2 I/O地址映像定義
4.3.3 初始化及模式設置
4.4 多傳感器數(shù)據(jù)采集時間同步的硬件設計
4.5 多傳感器數(shù)據(jù)采集時間同步的軟件設計
4.6 多傳感器數(shù)據(jù)采集時間同步的測試
4.6.1 PPS信號穩(wěn)定性和采樣時鐘的精確度統(tǒng)一測試
4.6.2 慣性器件特定工作模式下時間同步精度驗證
4.6.3 對比實驗
4.7 小結
第五章 基于車載的GPS/INS組合導航定位系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設計
5.1 組合導航系統(tǒng)的軟件設計
5.2 人機交互的設計
5.3 基于 PC104總線模塊的驅動實現(xiàn)
5.3.1 板卡的地址譯碼和中斷選擇
5.3.2 板卡驅動實現(xiàn)
5.4 信息流程驗證
5.5 小結
第六章 GPS/INS組合導航系統(tǒng)算法研究
6.1 GPS/INS組合導航系統(tǒng)的組合方案
6.2 慣性導航系統(tǒng)的數(shù)學模型
6.2.1 常用坐標系
6.2.2 常用坐標系之間的相互關系
6.2.3 IMU輸出信號的誤差模型
6.2.4 地固系下的力學編排
6.3 組合導航系統(tǒng)的傳統(tǒng)卡爾曼濾波技術研究
6.3.1 傳統(tǒng)卡爾曼濾波技術
6.3.2 數(shù)字仿真及結果分析
6.3.3 車載實驗及結果分析
6.4 組合導航系統(tǒng)的自適應卡爾曼濾波技術研究
6.4.1 自適應卡爾曼濾波技術
6.4.2 車載實驗及結果分析
6.5 軌跡判別算法輔助的自適應卡爾曼濾波設計
6.5.1 軌跡判別算法
6.5.2 半物理仿真實驗及結果分析
6.6 小結
第七章 人工智能技術輔助的組合導航系統(tǒng)算法設計
7.1 LS-SVM
7.2 LS-SVM的接口設計
7.3 LS-SVM輔助GPS/INS組合導航系統(tǒng)的信息融合算法設計
7.3.1 LS-SVM/AKF輔助GPS/INS組合導航系統(tǒng)的算法結構設計
7.3.2 LS-SVM輔助GPS/INS組合導航系統(tǒng)的算法結構設計
7.4 半物理仿真實驗及結果分析
7.5 跑車實驗及結果分析
7.6 小結
總結
論文主要創(chuàng)新性成果
致謝
參考文獻
作者簡介
攻讀博士期間發(fā)表論文與研究成果
【參考文獻】：
期刊論文
[1]神經網絡輔助卡爾曼濾波在組合導航中的應用[J]. 崔留爭,高思遠,賈宏光,儲海榮,姜瑞凱. 光學精密工程. 2014(05)
[2]IMU角變速運動對旋轉式SINS定位精度影響分析[J]. 劉適,王世安,劉興章,張義,楊祥龍. 彈箭與制導學報. 2014(04)
[3]從北斗一號到北斗二號[J]. 王飛雪. 國土資源導刊. 2014(04)
[4]艦載小型化SINS/GNSS緊組合導航系統(tǒng)設計[J]. 閆捷,徐曉蘇,張濤,劉義亭,吳亮. 中國慣性技術學報. 2013(06)
[5]光纖陀螺旋轉捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的發(fā)展與應用[J]. 孫偉,孫楓,劉繁明. 傳感器與微系統(tǒng). 2012(11)
[6]多功能捷聯(lián)慣性導航仿真平臺軟件的設計及實現(xiàn)[J]. 董良,曾慶化,鄧孝逸,李炎. 航空計算技術. 2012(06)
[7]低成本車載導航儀的組合導航算法設計[J]. 袁贛南,梁海波,何昆鵬,王文. 中國慣性技術學報. 2011(01)
[8]一種多輸出支持向量機的增量學習算法[J]. 趙耀紅,鐘萍,王來生. 計算機應用與軟件. 2010(06)
[9]光纖陀螺技術及其發(fā)展應用[J]. 蔡明. 航空科學技術. 2009(04)
[10]光纖陀螺隨機誤差建模的實驗研究(英文)[J]. 方靖,尚捷,顧啟泰. 傳感技術學報. 2008(09)
博士論文
[1]基于光纖陀螺的尋北系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 段苛苛.北京交通大學 2014
[2]GPS/DR車載組合定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合算法研究[D]. 鄭貴省.天津大學 2005
[3]MIMU及其與GPS組合系統(tǒng)設計與實驗研究[D]. 尚捷.清華大學 2005
[4]捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 楊艷娟.哈爾濱工程大學 2001
碩士論文
[1]支持向量機與卡爾曼濾波算法在組合導航中的應用研究[D]. 陳磊琛.中國地質大學 2010
本文編號：3623484
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